熱塑性塑料的焊接

1、熱塑性塑料的焊接通常認(rèn)為熱塑性焊接是不可逆的.少數(shù)工藝如感應(yīng)焊接可生產(chǎn)可逆組裝件.至于選擇哪種方法應(yīng)在制件沒計(jì)初作出,因?yàn)楹附臃椒▽χ萍O(shè)計(jì)的要求可能是重要的,且不同焊接方法同差別顯蓍.1. 超聲焊接2. 振動焊接3. 旋轉(zhuǎn)焊接4. 熱板焊接5. 感應(yīng)焊接6. 接觸(電阻)焊7. 熱氣焊接8. 擠出焊接 熱氣焊接技術(shù)通常用來焊接塑料管,片或半成品制品而不是注塑成型制件.但許多熱塑性模塑制件,特別是熱塑性汽車盤是用熱氣焊接技術(shù)修復(fù)的,另外熱氣焊接有時用來制備塑料樣模制件.超聲焊接焊接熱塑性制件的最普通的方法是超聲焊接.這種方法是采用低振幅,高頻率(超聲)振動能量使表面和分子摩擦產(chǎn)生焊接相連墊塑性

2、制件所需的熱量.(正弦超聲振動)超聲焊接在20-50khz的頻率范圍內(nèi)發(fā)生,其一般振幅范圍為15-60um.在低達(dá)15khz(較高振幅)的聲頻有時用于較大制件或較軟材料.焊接過程通常在內(nèi)發(fā)生.焊接工藝孌量包括焊接時間,焊頭位置和焊接壓力.超聲焊接設(shè)備通常用來焊接中,小尺寸的熱塑性塑料制件,而很大的制件可用多點(diǎn)焊接.超聲焊接方法可根據(jù)焊接時間或焊縫位置(塌陷距離)或焊接能量控制.也對焊接壓力和冷卻時間提供附加控制.超聲焊接設(shè)備一般不是在20khz就是在40khz頻率下運(yùn)行.20khz裝置更常用.接頭設(shè)計(jì):第一類即最常用的接頭類型,在被連接表面的垂直方向上利用超聲振動.對接和z形接合歸入這一類,適

3、用于多數(shù)聚合物.第二類超聲焊接接頭包括與接頭表面平行的振動,形成剪切狀態(tài).各種類型的剪切和嵌接歸入第二類.能量控制囂接點(diǎn)與無定形材料一起使用最佳,圖1所示較大的能量控制囂結(jié)可在一些不密閉的半結(jié)晶材料中應(yīng)用. 圖1 無定形和半結(jié)晶聚合物所用的能量導(dǎo)向囂的近似尺寸此圖所示的焊接接頭是對普通能量控制接頭設(shè)計(jì)的獨(dú)特的改進(jìn).下面式件用一個粗糙或有紋理的表面改進(jìn).將會提高焊接質(zhì)量,焊接強(qiáng)度和焊接完成的容易程度.其它許多有紋理的接頭外形也是可行.溢料問題可通過把溢料污染槽引入接關(guān)設(shè)計(jì)中而降低,為安全,一般溢料槽設(shè)計(jì)至少10%的過度體積容量. 緊壓接頭:為了使溢料形成的可能性最小,緊壓接頭設(shè)計(jì)的目的是阻擋熔體

4、或?qū)⑷垠w保持在熔區(qū)內(nèi).緊壓接頭對半結(jié)晶的塑料材料如尼龍是有用的.因?yàn)榻雨P(guān)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,緊壓接關(guān)所需的制件配合公差相對嚴(yán)格.與三角能量導(dǎo)向囂焊接相比,較大的接頭結(jié)構(gòu)也需要附加振幅和焊接能量.典型的緊壓焊接幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示. 圖2 典型的超聲緊壓焊接結(jié)構(gòu)制件找平 簡單對接沒有任何措施解決制件相互找平或?qū)χ?制件找平更適于用模塑定位銷或雙頭螺完成.而z形接能自動找平,且在使用時耐拉伸且改進(jìn)了搞剪切負(fù)荷性.并能消除外部溢料. 圖3 超聲焊接工藝用的典型z開接頭設(shè)計(jì)(a) 焊接前的z接頭: (b)焊接后的z形接頭:(c)改進(jìn)的 z形接頭:臺階附帶肩部掩蓋了不平性,結(jié)果使外觀改進(jìn)槽舌接合不但提供了剪切強(qiáng)度

5、而且提供了拉伸強(qiáng)度.這種接合是自對中的,接合區(qū)域的壁厚必須相對大以適應(yīng)槽舌接合設(shè)計(jì).另外,制件公差要求相對嚴(yán).間隔加強(qiáng)筋改善了接頭找平.圖4 超聲焊接工藝用的典型槽舌接合設(shè)計(jì)剪切接頭 當(dāng)焊接半結(jié)晶聚合物（或其它難以焊接的聚合物）和需要密封接頭號時，一般推薦使 用剪切接。需要高強(qiáng)度，高質(zhì)量接碚的環(huán)形和矩形制件都用剪切接頭。剪切接頭號具有搭接制件壁部分，當(dāng)接頭被焊接和相互依次嵌入時，搭接部分產(chǎn)生公差和局部剪切。為了促進(jìn)制件找平，接頭包含了調(diào)節(jié)部分。為了集中熔融能量，一邊上的阻礙物的頂角在初始接觸面上降低。因?yàn)槿诨牧系臏囟仍谡麄€接觸面上保持一致，制件被焊接時，兩表面熔融均勻。深度為的使用范圍內(nèi)的公

6、差值。為了防止在焊接過程中由于公差而產(chǎn)生的外部側(cè)壁翹曲，垂直的制件應(yīng)盡可能淺，但在一邊用剪切制件改進(jìn)的槽舌接頭可與較深的拉伸制件一起使用，提供中壁接頭，它使由于公差而產(chǎn)生的側(cè)壁翹曲最小。如圖5所示。圖5典型的超聲焊接剪切接頭設(shè)計(jì)和典型的中壁組裝剪切接頭設(shè)計(jì)（a） 焊接前的部件； （b）焊接后的部件1-槽舌剪切接頭：有助于阻止部件向內(nèi)彎曲；2-支撐夾具：目的是在焊接過程中阻止下面部件壁向外彎曲；3-上面的部件；4-下面的部件 斜坡接合 斜坡接合設(shè)計(jì)也可為無定形和半結(jié)晶聚合物提供高強(qiáng)度密封接頭。斜坡接合是自固定的且最適合小尺寸的圓形或橢圓形制件。斜坡接合的焊接能量要求很高。 圖6超聲焊執(zhí)著用典型的

7、斜坡接合設(shè)計(jì)（a） 斜坡接合；（b） 改進(jìn)的斜坡接合（附加公差）1- 溢料槽；2-夾具 斜坡接合具有30°-60°的角且應(yīng)該在±1°內(nèi)裝配。為附加的熔區(qū)材料厚度增加的的公差產(chǎn)生焊縫和溢料。當(dāng)從功能或?qū)徝郎喜荒芙邮芤缌蠒r，就使用收集器。 帶嵌入密封裝置的焊接 用嵌入的彈性密封圈或韌性墊圈也可獲得可靠的密封。如圖7所示接頭制件裝有一個彈性環(huán)，以改善用超聲焊接接合可達(dá)到的密封安全性，或在連續(xù)的周邊焊接不可能的情況下使用。 圖7 超聲焊接制件通常需要密封接頭1- 能量導(dǎo)向器；2- 彈性密封電栓焊 超聲焊接設(shè)備也可生產(chǎn)電栓焊和銷套觸點(diǎn)焊接。在不需要密封接頭的應(yīng)用中

8、，銷套接頭可用來連接相同的塑料材料。圖8 超聲焊接設(shè)備可形成銷孔型剪切接頭1-溢料收集器;2-焊接前;3-焊接后*超聲鉚焊 超聲焊接的變異是超聲鉚焊.即把一個熱塑性制件固定在另一個不同材料的制件上的方法.鉚釘或凸臺在底部應(yīng)該 有十分大的半徑或圓角,以防裂紋或熔融.為了集中超聲能量，凸臺的頂端應(yīng)該設(shè)計(jì)成與焊頭的初始接觸最小。凸臺頂部可以是平的或圓錐形的，半結(jié)晶或填充的聚合物以圓錐形的較佳。超聲鉚焊的完整性取決于鉚釘和焊頭之間的精確容量關(guān)系。圖9 超聲焊接設(shè)備可生產(chǎn)鉚焊或各種結(jié)構(gòu)1- 的鉚釘；2-尖錐觸發(fā)熔融；3-的鉚釘 標(biāo)準(zhǔn)鉚焊 直徑在這間的平頭鉚釘。剛性和柔性的不耐磨熱塑性塑料推薦使用標(biāo)準(zhǔn)外形

9、。半球形鉚焊 直徑小于的鉚釘建議用在半球形鉚焊上。對耐磨塑料是合適的。溢流式鉚焊 溢流式鉚焊用在要求表面為平的或隆起的及鎖信制件的厚度被允許使用的應(yīng)用中?？招你T焊 直徑大于4mm的凸臺或鉚釘去芯后可生盲孔凸臺。如圖10所示 當(dāng)嚙合制件中不允許有通孔時，超聲焊接設(shè)備也能形成機(jī)械互鎖。模制塑料鉚釘（與用于鉚焊的類似）和在嚙合制件中的盲倒角可形成以公差為基礎(chǔ)（假設(shè)帶倒角的制件不融化）的真正的機(jī)械接合。 圖10 用超聲焊接形成機(jī)械互鎖的示例1-帶軟化和變形鉚釘?shù)臒崴苄圆考?-具有倒角的嚙合部件；3-超聲波焊頭超聲焊接的材料因素 超聲焊接操作適合于多數(shù)熱塑性材料。l 1無定形聚合物，特別是室溫下外于玻

10、璃態(tài)的無定形物，通常是焊接工藝的好的候選材料。玻璃態(tài)無定形聚合物具有良好的透射性能，允許用看近場和遠(yuǎn)場焊接技術(shù)成功焊接。當(dāng)材料較軟時，開定形材料的超聲焊接就成問題。如：焊接高沖擊ps將比焊接通用ps一般需要更多能量和附加振幅。l 2半結(jié)晶聚合物一般更難用超聲能量焊接.增加由焊接體系發(fā)射的能量值（即增加振幅）；縮短焊頭/制件接觸面與接頭接口間的距離;使用近場超聲焊接技術(shù);使用振幅高達(dá)的焊頭.這些高焊接振幅需要使用鈦焊頭.當(dāng)需要高強(qiáng)度、密封組裝時，剪切接頭和斜坡接合對半結(jié)晶聚合物都適用。l 3焊接吸濕性聚合物：模塑后馬上焊接制件（在它們?nèi)允歉稍飼r）；焊接前干燥制件；焊接前把制件存放在干燥器內(nèi)。振動

11、焊接 振動焊接是摩擦焊接過程，其間被焊接的制件在壓力下磨擦到一起直到生成的磨擦和剪切熱量使頭蚧面達(dá)到充分熔融狀態(tài)。一旦熔融膜已經(jīng)形成滲入到足夠深的沓接區(qū)域，相對運(yùn)動停止，在壓力作用下焊縫冷卻并固化。振動焊接適用幾乎所有的熱塑笥塑料，往復(fù)運(yùn)動方向上具有允許的無約束運(yùn)動焊縫的制件，中型或大型制件。振動焊接的材料因素與超聲焊接類似：無定形材料比半結(jié)晶聚合物更適合采用振動焊接的類似。l 環(huán)形振動焊接 可連接焊區(qū)尺寸與焊區(qū)到旋轉(zhuǎn)軸的距離近似相等的制件。l 線性振動焊接 用在允許一個方向上線性振動的成套制件上。接頭 當(dāng)被連接的整個表面是平的或稍向平面外彎曲時，對制件來說振動焊接工藝是最理想的。 圖11 振

12、動焊接用典型接頭設(shè)計(jì)(a) 焊接前的標(biāo)準(zhǔn)對接接頭；(b) 焊接后的標(biāo)準(zhǔn)對接接頭；(c) 用溢料收集改進(jìn)的對接接頭1- 焊接設(shè)備溝槽；2-單平面分型線；3-焊接溢料；4-帶溢料收集器的接合 旋轉(zhuǎn)焊接旋轉(zhuǎn)焊接用來連接具有旋轉(zhuǎn)對稱接合表面的制件，它屬磨擦焊接工藝。是連接可大可小的圓柱形熱塑性塑料制件的最有效的工藝。用旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)組裝的制件常常具有與周邊垂直的連接板等特征。它的生要加工變量是相對剪切速率、焊接壓力和焊接時間。旋轉(zhuǎn)焊接的接頭強(qiáng)度取決于材料、接頭設(shè)計(jì)和所用的加工條件；多數(shù)熱塑性塑料可達(dá)到強(qiáng)的氣密封接焊縫。旋轉(zhuǎn)焊接對透射性能不好的材料特別合適。 圖12 旋轉(zhuǎn)焊接工藝用的典型的基本接頭結(jié)構(gòu)1-

13、對接接頭；2-槽舌接合；3-帶收集器的t、g接合4-斜坡接合；5-剪切接合 電磁焊接電磁焊接（電感焊接）是利用能達(dá)到熔化溫度的電感能量連接熱塑性制件的方法。也被稱作特種插入焊接，此間磁致旋光聚合插入物被一個高頻電磁場加熱。焊接材料一般是磁致旋光的填充聚合物，它是由和制件材料相同的聚合物或兼容的聚合物制造的。這種強(qiáng)磁性填充聚合物包括細(xì)分散的、微米尺寸的鐵粒子、氧化鐵粒子、不銹鋼粒子或其它磁性物質(zhì)，它們成為電磁能的靶子。按體積計(jì)算的強(qiáng)磁性粉的裝填量通常少于15%當(dāng)施加在制件上的力在焊接接頭處產(chǎn)生剪切時，焊縫最結(jié)實(shí)。實(shí)際中最常用的接頭是槽舌接頭和z形接合。感應(yīng)焊接需要使 用具有附加成本的嵌入焊接材料

14、，且很不適合與含有電磁敏感零件的制件如金屬 嵌一起使用。 圖13 電磁焊接用的典型接頭結(jié)構(gòu)(a) 平型到槽紋接頭(b) 舌狀到槽紋接頭(c) 剪切接頭(d) z形接頭 接觸（電阻）焊接觸電阻焊 電導(dǎo)線或條帶被直接放入接頭界面，電線連接在電路中且用電阻損失直接加熱。熱量通過導(dǎo)熱性傳遞給相鄰的塑料材料，因此塑性固體在局部區(qū)域軟化或溶化。斷電后，焊接區(qū)或冷卻，壓力使嚙合制件彼此接觸。設(shè)備要求最低，焊接過程簡單且速度快，特別適合于焊接很大的制件。但需要損失加熱電線，焊接后電線保留在原位，增加了加工成本，且電線的存在也對成品的焊縫強(qiáng)度有不利影響。 熱板焊接熱板焊接（對平型制件），它是用電加熱金屬模具使被

15、連接塑料制件表面軟化的熱塑性焊接過程。幾乎適用于所有的或大或小的熱塑性制件。特別適合焊接較軟的半結(jié)晶熱塑性塑料如pe或pp。由于不同的模具表面溫度能名適用于兩種不同的熱塑性材料，此工藝最適于焊接不同的材料。熱板焊接可達(dá)到很高的焊接強(qiáng)度。但此工藝的周期可能相對長，小制件需15s，而很大的制件需幾分鐘。 熱氣焊接熱氣焊接是廣泛用于連接熱塑性型材和片材生產(chǎn)很大制件的焊接方法。適用于需要局部組裝的較小的注塑成型制件、熱塑性制件的修理及樣模制件的制造。用與被焊接制件相同的聚合物品牌生產(chǎn)焊條是重要的 擠出焊接擠出焊接是由熱氣焊接發(fā)展而來的焊接方法。主要較大片型結(jié)構(gòu)的自動焊接。 粘接黏合劑可用來連接相同原料聚合物的塑料制件，一般用來邊接由不同材料制造的制件。使熱固性塑料制件相互連接，或使塑料制件與金屬連接。黏合劑的優(yōu)點(diǎn)包括：l 美觀、設(shè)計(jì)靈活；l 均勻的應(yīng)力分布；l 能夠連接不同的材料；l 能夠提供大氣水氣體的嚴(yán)密封口；l 柔軟黏合劑能緩沖振動；l 能與薄而軟的基材一起使用；l 提供電絕緣