塑料焊接工藝與設(shè)備

1、本期主題：車(chē)用塑料焊接工藝與設(shè)備（塑料焊接技術(shù)在汽車(chē)上應(yīng)用主要部件圖示） 五種主要的車(chē)用塑料焊接工藝概述 五種焊接工藝的主要特點(diǎn)與條件 幾種先進(jìn)的車(chē)用塑料焊接設(shè)備介紹 五種主要的車(chē)用塑料焊接工藝概述焊接可追朔至早期的金屬加工年代，而且由于性能、成本、可靠性和安全方面的原因至今廣為應(yīng)用。與其他連接方法（如：鉚接和螺栓連接）相比，焊接結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、重量輕、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。連接金屬、聚合材料、陶瓷、復(fù)合材料和工程材料的焊接方法已經(jīng)多達(dá)100多種。作為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，焊接在汽車(chē)制造中得到廣泛的應(yīng)用。汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車(chē)橋、車(chē)架、車(chē)身、車(chē)廂六大總成都離不開(kāi)焊接技術(shù)的應(yīng)用。在汽車(chē)

2、零部件的制造中，點(diǎn)焊、凸焊、縫焊、滾凸焊、焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊、氣焊、釬焊、摩擦焊、電子束焊和激光焊等各種焊接方法中，由于點(diǎn)焊、氣體保護(hù)焊、釬焊具有生產(chǎn)量大，自動(dòng)化程度高，高速、低耗、焊接變形小、易操作的特點(diǎn)，所以對(duì)汽車(chē)車(chē)身薄板覆蓋零部件特別適合，因此，在汽車(chē)生產(chǎn)中應(yīng)用最多。對(duì)于汽車(chē)內(nèi)外飾件制造企業(yè)而言，焊接的主要對(duì)象是工程塑料制品。借助熱能或振動(dòng)能源，使材料表面軟化而結(jié)合。盡管不使用粘合劑，但卻可得到比較好的焊接強(qiáng)度。焊接工藝可按所采用的軟化方式分為以下幾種：熱板焊接 （hot plate welding） 由熱板產(chǎn)生的熱量軟化接合表面的加壓焊接方法。振動(dòng)焊接 (vibrat

3、ion welding)由摩擦產(chǎn)生的熱量軟化接合表面的加壓焊接方法。超聲波焊接 (ultrasonic welding )在超聲頻率下由分子間機(jī)械振動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生的熱軟化接合表面的加壓焊接方法。高頻焊接 (HF welding)由高頻電場(chǎng)產(chǎn)生的熱量軟化接合表面的加壓焊接方法。激光焊接 (laser welding)利用激光能量來(lái)焊接兩個(gè)成型品的一種技術(shù)。五種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱板焊接*應(yīng)用范圍廣* 焊接強(qiáng)度、效率高(在各焊接法中最佳)* 可進(jìn)行氣密接合，可靠性好* 制品、焊接部的形狀設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易*由熱板產(chǎn)生的熱量使制品軟化，周期較長(zhǎng)。*粘貼在熱板上的樹(shù)脂會(huì)出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象 (必須有相

4、應(yīng)的塑料粘貼對(duì)策) *不同種類(lèi)的樹(shù)脂或金屬與樹(shù)脂相接合，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不足。*對(duì)易分解塑料要用惰性氣體振動(dòng)焊接材料選擇廣泛、復(fù)雜形狀、大尺寸連接平面不超過(guò)兩個(gè)、不適用于薄長(zhǎng)的固定件，被焊接件必須能夠活動(dòng)超聲波焊接速度快、可自動(dòng)化受尺寸、形狀和材料限制高頻焊接適用于等厚的薄板不適用于非極性分子激光焊接*由于沒(méi)有振動(dòng)或超聲波等物理的影響，因此可應(yīng)用于精密部件*由于是非接觸焊接，因此不會(huì)使表面產(chǎn)生熱影響、傷痕或變形，且不會(huì)產(chǎn)生殘?jiān)?是不會(huì)產(chǎn)生粉塵或飛邊等不良現(xiàn)象的一種潔凈工作法*可利用最佳加工條件來(lái)獲得很高的接合強(qiáng)度和密閉性*通過(guò)縮小激光束可最大限度地減少因熱而引起的影響*由于必須在激光透射性樹(shù)脂與激光

5、吸收性樹(shù)脂的組合中才能使用，因此受限于樹(shù)脂的種類(lèi)。*當(dāng)兩種材料都填充炭黑時(shí)，不適于激光焊*由于許多礦物填充的化合物能夠吸收近紅外線(xiàn)激光，所以通常不適用于激光焊接 五種焊接工藝的主要特點(diǎn)與條件 熱板焊接1.定義由熱板產(chǎn)生的熱量軟化接合表面的加壓焊接方法。因裝置簡(jiǎn)便、焊接強(qiáng)度高，自古以來(lái)就被用于大型產(chǎn)品的焊接。2.焊接工藝a）讓制品接觸熱板，以融化黏接部;b）保持融化面的接觸，以冷卻凝固。3.黏接部分的接合形狀例焊接部為平坦?fàn)铒w邊露出深度形狀隱藏飛邊形狀4.焊接條件溫度設(shè)定：基本上大于樹(shù)脂熔點(diǎn) 低溫時(shí)- 焊接周期長(zhǎng) 焊接強(qiáng)度低 高溫時(shí)- 注意材料老化軟化時(shí)間：可充分使接合面軟化的時(shí)間參考高1mm左

6、右的軟化時(shí)間機(jī)械驅(qū)動(dòng)速度：盡可能越快越好熱燙壓力：設(shè)定所需的最低壓力、焊接深度。壓力過(guò)大時(shí)，會(huì)造成熔融樹(shù)脂被擠出，成為強(qiáng)度低的原因。其它影響熱板焊接的主要因素：冷卻壓力、冷卻時(shí)間、熱燙模板復(fù)位時(shí)間、冷壓模板運(yùn)行時(shí)間、工作臺(tái)復(fù)位時(shí)間。5.延鋒公司熱板焊接舉例：焊接Audi A4遮陽(yáng)板地圖袋。地圖袋由三層材料組成，上下兩層為PVC表皮，中間層為聚酯熱熔膜，它是通過(guò)熱板壓在上表皮上，使中間聚酯熱熔膜快速熔化，再通過(guò)冷壓模板壓在上表皮上，使聚酯熱熔膜冷卻使上下兩層PVC表皮焊接在一起。焊接專(zhuān)機(jī)主要組成部分：底模、加緊機(jī)構(gòu)、加熱板、熱燙模板、熱板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冷壓模板、壓板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)橫移機(jī)構(gòu)。設(shè)備主要

7、技術(shù)參數(shù)：加熱功率、加熱溫度、熱板行程、冷壓板行程、機(jī)器總重、安全保護(hù)。 振動(dòng)焊接1.定義振動(dòng)焊接是屬于摩擦焊接的一種。首先將一方的制品固定后，另一方在加壓的同時(shí)使其在水平方向發(fā)生振動(dòng)，然后使接合面軟化, 焊接。振動(dòng)方式可分為線(xiàn)形與軌道型二種。線(xiàn)型是左右方向振動(dòng)，軌道型則是小圓形的振動(dòng)。因焊接面相對(duì)時(shí)間軸的速度是一定的，故軌道型振動(dòng)可得到均一的焊接面。最大振幅：線(xiàn)型為1.8mm，軌道型為1.5mm。2.接合部的接合形狀下圖為最具代表性的接合形狀例。一般來(lái)說(shuō)，只要在接合面之間有可供發(fā)生摩擦的接觸面即可。但當(dāng)制品厚度較薄或者是過(guò)于細(xì)長(zhǎng)時(shí)，為了防止偏移、污點(diǎn)而設(shè)置鉤型的凸緣(b)，當(dāng)焊接時(shí)出現(xiàn)飛邊等

8、外觀問(wèn)題時(shí)，則設(shè)置飛邊滯留(ce)。3.焊接條件焊接條件取決于加壓、振幅、焊接量: a、加壓：采用低壓，則可以得到較高的焊接強(qiáng)度。 b、振幅：幾乎不受振幅的影響。 c、焊接量：因材料而異4.延鋒公司振動(dòng)焊接舉例在儀表板生產(chǎn)區(qū)域用到振動(dòng)焊接，設(shè)備供應(yīng)商為德國(guó)的Branson, 德國(guó)的Bielomatik。以Bielomatik公司設(shè)備為例，其主要工作方式：焊接件置于下夾具中關(guān)閉操作側(cè)的安全門(mén)舉升裝置移動(dòng)至工位，并將工件的上體置入上夾具振動(dòng)單元線(xiàn)性振動(dòng)，舉升單元施加必要的焊接壓力摩擦振動(dòng)使焊接區(qū)塑化達(dá)到振動(dòng)時(shí)間，或達(dá)到預(yù)定焊接位置時(shí)，振動(dòng)停止冷卻舉升臺(tái)協(xié)同工件退回起始為好子松開(kāi)下夾具安全門(mén)自動(dòng)打開(kāi)

9、取出焊接好的工件。設(shè)備的主要部件有：氣動(dòng)安全門(mén)、控制箱、主控面板、舉升裝置、上、下方夾具、安全防噪室等。設(shè)備參數(shù)：操作電壓、頻率、電流型式、滿(mǎn)載電流、輸入壓力、工作頻率、最大焊接壓力、舉升垂直行程、溫度等 超聲波焊接1.定義超聲波焊接是熔接熟塑性塑料制品的高科技技術(shù)。由于應(yīng)用此技術(shù)可取代過(guò)去生產(chǎn)上需要的熔劑、粘合劑、扣釘或其它機(jī)械固定法，從而提高了生產(chǎn)效率、降低了成本。超聲波焊接原理是通過(guò)超聲波發(fā)生器將50/60赫茲電流轉(zhuǎn)換成15、20、30或40千赫茲電能。被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過(guò)換能器再次被轉(zhuǎn)換成為同等頻率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，隨后機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)一套可以改變振幅的調(diào)幅器裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動(dòng)能

10、量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區(qū)域，振動(dòng)能量被通過(guò)摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，將塑料熔化。超聲波不僅可以被用來(lái)焊接硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜。2.超聲波熔接的接面設(shè)計(jì)a斜面接合該接合是利用斜面以達(dá)到完全的面接合。由于可獲得均一的熱能及較大的焊接面積，故焊接強(qiáng)度高，氣密性好。 b逐次接合屬于剪切焊接，由振動(dòng)方向的面接觸結(jié)合部獲得均一的熱量，其氣密性、焊接強(qiáng)度都十分良好。但是，焊接后所產(chǎn)生的飛邊會(huì)滯留在表面，特別是不允許有飛邊產(chǎn)生時(shí)，一定要注意。 c剪切接合介于前面所說(shuō)的斜面接合與逐次接合之間，由于氣密性好，能有效地焊接圓形以外的形狀，因而經(jīng)常被使用。d能源定向接合這種方式是將能源集中在被稱(chēng)為定

11、向的三角形的凸起部分，由反復(fù)沖擊產(chǎn)生的熱量的接合設(shè)計(jì)方式。其優(yōu)點(diǎn)是，形狀簡(jiǎn)單，接合部分的限制較小。但對(duì)于結(jié)晶性塑料，過(guò)分的局部發(fā)熱引起軟化, 熔融，從而引發(fā)出壓焊應(yīng)力損失，氣密不良等問(wèn)題，必須引起注意。3.焊接條件作為超聲波焊接的條件，最重要的是施加焊接能源的時(shí)間（振動(dòng)、焊接時(shí)間）長(zhǎng)短和壓力， 當(dāng)然，其他條件也是很重要的。焊接溫度超過(guò)被焊接材料的粘流溫度。否則材料不會(huì)熔化。與振幅有關(guān)，振幅越高，溫度上升越高。加壓力使用圓柱形的工具對(duì)成型品進(jìn)行加壓。 一般壓縮空氣壓力為0.10.3MPa（壓力表），有時(shí)會(huì)更高一些。 但是，如果采用高壓的話(huà)，則會(huì)阻礙圓柱形的振動(dòng)。 若對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行焊接時(shí)，

12、則可適當(dāng)提高壓力以得到良好的焊接制品。焊接時(shí)間因材料的種類(lèi)與制品的形狀而異，有些成型品的焊接時(shí)間只需要0.2秒就已足夠了。 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成過(guò)度焊接而產(chǎn)生大量的飛邊與氣泡，從而導(dǎo)致氣密不良，必須注意。冷卻（保持）時(shí)間對(duì)于結(jié)晶性塑料，若溫度在融點(diǎn)以下，連接部分就會(huì)被凝固，通常加壓時(shí)間保持在0.10.2秒之間。発振開(kāi)始時(shí)期以圓柱形工具與成型品相接觸之前或同時(shí)發(fā)生振動(dòng)為佳。若在加壓狀態(tài)后才發(fā)生振動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致振幅損失。對(duì)被焊接材料的要求均質(zhì)，嚴(yán)格控制金屬或者應(yīng)物，否則損壞焊頭。4.焊機(jī)要求焊接機(jī)的焊頭由下到上分為三部分：焊頭、放大器和換能器。三者按照一定的比例進(jìn)行放大。如換能器的振幅為6mm，則放大器可

13、以放大三倍至18mm，到焊頭的振幅可增加到36mm。當(dāng)然，振幅增加，焊頭的壽命會(huì)降低。被焊接的材料不同，所需要的振幅也不相同。如PE,PP,ABS的振幅為18-20mm，PC的振幅為25mm。焊頭材料一般有三種：鈦：昂貴，性能最好，韌性好，加工困難。摩擦損耗小，振幅大可以達(dá)到60mm；鋁合金：便宜，磨損快，振幅不能超過(guò)30mm，容易加工；鋼：很硬，最不適合作焊頭，振幅不能超過(guò)25mm，適于切割，需要增加吹風(fēng)管，便于冷卻。5.延鋒公司超聲波焊接舉例在GPIV儀表臺(tái)中使用了Branson超聲波焊接設(shè)備。設(shè)備采用驅(qū)動(dòng)形式，焊接時(shí)工件放入為工件特制的底模中，底模安裝在機(jī)器平臺(tái)上，在雙滑動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)下可以作

14、X-Y方向上移動(dòng)，配以上下移動(dòng)的焊接單元，保證工具每一點(diǎn)焊點(diǎn)的要求。系統(tǒng)的工作方式：手動(dòng)將儀表臺(tái)各焊接件放置在底模上，并正確定位工件按下啟動(dòng)按鈕、自動(dòng)加緊工件、安全門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)工作工件探測(cè)前后平臺(tái)移動(dòng)到焊接工位焊接單元下，完成第一組焊接焊接單元退回前后平臺(tái)退回左右平臺(tái)移動(dòng)到焊接工位焊接單元下，完成第二組焊接焊接單元退回左右平臺(tái)退回并放松加緊機(jī)構(gòu)安全門(mén)自動(dòng)打開(kāi)手工取出焊好的工件設(shè)備的主要組成部分：機(jī)器、底模、超聲波部分、焊接單元部分、電氣控制部分。在前后門(mén)檻、前后保險(xiǎn)杠、C、D柱、PASSAT門(mén)板、POLO 241上裝飾板等產(chǎn)品中廣泛采用了超聲波焊接工藝。除上述Branson 公司外

15、，焊機(jī)設(shè)備供應(yīng)商還有RINCO超聲波公司，LUHR公司等。 高頻焊接對(duì)磁性體或?qū)щ婓w施加高頻率磁場(chǎng)，利用過(guò)電流損失所引起的熱能使制品軟化， 以達(dá)到二種制品焊接在一起的方法即高頻焊接法。產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)的最為常用的方法是，利用高頻電流通過(guò)線(xiàn)圈， 從而得到一個(gè)強(qiáng)大的高頻磁場(chǎng)。 一般而言，發(fā)熱體為鐵、鋁、不銹鋼等金屬絲或金屬片， 但也使用添加一些磁性體的塑料、塑料薄膜。 也有利用高頻率感應(yīng)加熱，用于金屬部件的嵌入等。延鋒公司采用KIFEEL公司的高頻焊接機(jī)焊接門(mén)內(nèi)板。 激光焊接利用激光能量來(lái)焊接兩個(gè)成型品的一種技術(shù)。其要點(diǎn)在于“透射激光的材料”與“吸收激光的材料”兩者的組合。俯射的激光徑直穿過(guò)上側(cè)的“透

16、射激光的材料”，然后被下側(cè)的“吸收激光的材料”吸收。這樣一來(lái)，成型品之間產(chǎn)生的熱量使樹(shù)脂熔化，從而把兩個(gè)成型品焊接在一起。這種焊接方法適用于超聲波焊接、振動(dòng)焊接、熱板焊接等都不適用的場(chǎng)合、薄壁制品以及超精密部件。激光焊接還可大致分為3種,可根據(jù)用戶(hù)需要來(lái)選用。最近TWI(英國(guó)焊接協(xié)會(huì))通報(bào)了 一種聚乙烯膜的高速激光焊接方法，應(yīng)用CO2和NdYAG激光，焊速達(dá)500m/min，焊接強(qiáng)度接近原料母體原料。TWI還獲得Clear WeldTM 透射焊接（transmission welding ）的專(zhuān)利，這種技術(shù)是在兩個(gè)可透射的塑料連接表面使用一種無(wú)色的紅外線(xiàn)吸收介質(zhì)，從而這兩塊光學(xué)透明的塑料在進(jìn)行

17、激光焊接后幾乎看不見(jiàn)接縫的存在。Branson 公司也推出了新的激光IRAM焊接技術(shù)，詳見(jiàn)后文有關(guān)設(shè)備的介紹。 幾種先進(jìn)的車(chē)用塑料焊接設(shè)備介紹Branson（必能信）超聲波公司是一家全球領(lǐng)先的塑料焊接設(shè)備和精密清洗設(shè)備公司，致力于設(shè)備的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售，在全球擁有超過(guò)20000名員工，70個(gè)銷(xiāo)售網(wǎng)點(diǎn)。制造基地遍及美國(guó)、墨西哥、加拿大、德國(guó)、斯洛伐克、中國(guó)、香港和日本。今天在紐約的Rochester，他們開(kāi)發(fā)和制造的產(chǎn)品除超聲波焊接機(jī)外，還包含：線(xiàn)性振動(dòng)摩擦焊機(jī)，軌道振動(dòng)焊機(jī)，激光IRAM焊機(jī)，熱板焊機(jī)、旋轉(zhuǎn)焊機(jī)等。下文將重點(diǎn)介紹Branson公司的最新設(shè)備，借此可對(duì)全球塑料焊機(jī)情況有所了

18、解。 Branson的超聲波焊機(jī)有手動(dòng)型單個(gè)工作站，也有全自動(dòng)型。它的2000系列超聲波系統(tǒng)可提供20，30，40KHz頻率。Bransons 2000f/aef 超聲波焊接系統(tǒng)- 借助于壓力2000d/aed 超聲波焊接系統(tǒng)- 借助于距離2000ea/ae 超聲波焊接系統(tǒng) 能量模式焊接2000f/aef是Branson2000超聲焊系列最新產(chǎn)品，為想借助于壓力和/或振幅分級(jí)進(jìn)行優(yōu)化焊接的用戶(hù)建立了新標(biāo)，使用戶(hù)能夠?qū)?shí)際焊機(jī)壓力和焊接速度進(jìn)行編程，有可供實(shí)現(xiàn)高水平過(guò)程控制和焊接質(zhì)量的多種模式。此外該系統(tǒng)的電源技術(shù)含有閉環(huán)回路專(zhuān)利技術(shù)，在性能、連貫性和可靠性方面都有所提升。2000f可進(jìn)行外形和

19、信息的數(shù)字化管理。Bransons 2000d/aed 具有多功能性、超級(jí)性能、輕便使用、數(shù)字化管理，有5個(gè)操作模式：時(shí)間、能力、峰值電源、崩潰、絕對(duì)距離，擁有閉環(huán)超聲波電源，一高性能換能器用于快速焊接。Bransons 2000ea/ae 擁有時(shí)間、能量補(bǔ)償或峰值電源焊接模式，可進(jìn)行高水平的過(guò)程控制和焊接質(zhì)量。此外該系統(tǒng)的電源技術(shù)含有閉環(huán)回路專(zhuān)利技術(shù)，提供更好的性能、連貫性和可靠性。 M系列振動(dòng)焊機(jī)新型M系列振動(dòng)焊機(jī)M624H此焊機(jī)為中型線(xiàn)性振動(dòng)焊機(jī)，采用了公司最新的兩階段數(shù)字驅(qū)動(dòng)模式，為焊接件提供高頻率、高能量DVW2-O軌道焊機(jī)用于焊接大型或不規(guī)則形狀的熱塑性塑料件，設(shè)備可在低振幅下操作（某些情況振幅可少于0.030），降低零件間隙的要求，可用于焊接非支撐性的豎直壁板。 新型HV-15S熱板焊機(jī)使用伺服系統(tǒng)，便于更大控制Branson HV-15S熱板焊機(jī)為塑料焊接系統(tǒng)，應(yīng)用豎直加熱壓盤(pán)、壓盤(pán)與伺服驅(qū)動(dòng)的夾具耦接，與傳統(tǒng)的機(jī)械停止相比，可使用戶(hù)對(duì)焊接結(jié)果獲得更大控制。該設(shè)備是焊接兩種以上熱塑性塑料件、且要求高強(qiáng)度和/或密封性（300 mm X 375 mm）的理想選擇。焊接部位清潔、美觀、性?xún)r(jià)比高，不需要膠水、