超聲波焊接工藝參數(shù)

超聲波焊接主要工藝參數(shù)有：超聲波振幅、焊接時(shí)間、保壓時(shí)間、焊接壓力、超聲波頻率等。最佳焊接規(guī)范隨待焊組件和所用的焊接設(shè)備而定。焊接參數(shù)的調(diào)度取決于零件的尺度和剛度，尤其是焊頭觸摸點(diǎn)和焊接接頭之間的距離。焊接才干遭到塑料傳遞超聲振動(dòng)才干(且零件不遭到損傷)的約束。

1.超聲頻率

超聲波常用的頻率有20、30、40 kHz， 15 kHz常用于半結(jié)晶性塑料。20 kHz是最常用的超聲波頻率，由于這一頻率熔化熱塑性塑料必需的振幅和功率簡(jiǎn)單抵達(dá)，但它或許產(chǎn)生許多難以控制的機(jī)械振動(dòng)，工具變得很大。產(chǎn)生較少振動(dòng)的較高頻率(40 kHz)是可行的，一般用于焊接工程塑料和增強(qiáng)聚合物。高頻率焊接設(shè)備的利益包含：噪聲小、零部件尺度小、增強(qiáng)零件維護(hù)(由于削減循環(huán)應(yīng)力和接頭界面外部區(qū)域不加選擇的加熱)、前進(jìn)機(jī)械能量的控制、下降焊接壓力、加速加工速度。缺點(diǎn)是由于零部件尺度小，功率容量下降及由于振幅下降，難以進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)焊接。較高頻率超聲波焊機(jī)一般用于焊接小型、精細(xì)零件(如電氣開(kāi)關(guān))及材料降解需較少的零件。關(guān)于15 kHz的焊機(jī)能夠快速焊接大部分熱塑性塑料，在大多數(shù)情況下，比20 kHz焊機(jī)焊接時(shí)的材料降解少。用20 kHz牽強(qiáng)能焊的零件(尤其是那些由高性能工程樹(shù)脂加工成的)，用15 kHz能有效地焊接。在較低頻率下，焊頭有較長(zhǎng)諧振長(zhǎng)度，在一切維度能夠做得更大。選用15 kHz的另一重要利益是同運(yùn)用較高頻率比較，大大下降了超聲波在塑猜中的衰減，答應(yīng)焊接更軟的塑料及更大的遠(yuǎn)場(chǎng)距離。

2.超聲波振幅

成功焊接取決于焊頭端部的恰當(dāng)振幅。關(guān)于一切變幅桿/焊頭組合，振幅是固定的。根據(jù)待焊材料選擇振幅以獲得恰當(dāng)程度的熔化。一般說(shuō)來(lái)，半結(jié)晶性塑料與非結(jié)晶性塑料比較需更多的能量，因此需更大的焊頭端部振幅?，F(xiàn)代超聲波焊接機(jī)上的進(jìn)程控制答應(yīng)分階。高振幅用于初步熔化，低振幅用以控制熔化材料的粘度。增加振幅會(huì)改善剪切接頭規(guī)劃零件的焊縫質(zhì)量。關(guān)于對(duì)接接頭而言，跟著振幅的增加，焊縫質(zhì)量前進(jìn)且焊接時(shí)間削減。在用導(dǎo)能筋的超聲波焊接中，平均熱耗率(Qavg)取決于材料的復(fù)合損耗模量(E?)、頻率(ω)和作用應(yīng)變(ε0)： Qavg=ωε02 E?/2 熱塑性塑料的復(fù)合損耗模量與溫度密切相關(guān)。在抵達(dá)熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，損耗模量增加，更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能。在加熱初步后，焊接界面處的溫度急升(達(dá)1 000 ℃/s)。作用應(yīng)變與焊頭的振幅成正比，所以能夠通過(guò)改動(dòng)振幅來(lái)控制焊接界面的加熱。振幅是一個(gè)控制熱塑性塑料揉捏活動(dòng)速率的重要參數(shù)。高振幅時(shí)，焊接界面加熱速度較高，溫度上升，熔化材料活動(dòng)速度較快，導(dǎo)致分子取向增加，產(chǎn)生許多飛邊及焊縫強(qiáng)度較低。高振幅關(guān)于初步熔化是必需的。太低的振幅產(chǎn)生不均勻的初步熔化和過(guò)早的熔體凝聚。當(dāng)增加振幅時(shí)，更許多的振動(dòng)能量耗費(fèi)在熱塑性塑猜中，待焊零件承受更大應(yīng)力。在整個(gè)焊接循環(huán)進(jìn)程中振幅恒守時(shí)，一般選用的是對(duì)待焊零件不至于產(chǎn)生過(guò)量危害的最高振幅。關(guān)于結(jié)晶性塑料如聚乙烯和聚丙烯，振幅的影響比非結(jié)晶性塑料如ABS和聚苯乙烯要大得多。這或許是由于結(jié)晶性塑料的熔化和焊接需求更多的能量。振幅能夠機(jī)械調(diào)度(通過(guò)更換變幅桿或焊頭)或許電氣調(diào)度(通過(guò)改動(dòng)供應(yīng)給換能器的電壓)。在實(shí)踐中，較大振幅調(diào)度選用機(jī)械辦法而微調(diào)用的是電氣辦法。高熔點(diǎn)材料、遠(yuǎn)場(chǎng)焊縫及半結(jié)晶性塑料一般需求比非結(jié)晶性塑料和近場(chǎng)焊縫更大的振幅。非結(jié)晶性塑料典型的總振幅規(guī)劃是30~100 μm，而結(jié)晶性塑料為60~125 μm。振幅分階(amplitude profiling)能夠完成出色的熔體活動(dòng)和一起的高焊縫強(qiáng)度。關(guān)于組合的振幅和力分階，高振幅和作用力用于初步熔化，然后振幅和作用力下降以下降沿焊合線的分子取向。

3. 超聲焊接時(shí)間

焊接時(shí)間是施加振動(dòng)的時(shí)間。每一用處適合的焊接時(shí)間由試驗(yàn)承認(rèn)。增加焊接時(shí)間會(huì)前進(jìn)焊縫強(qiáng)度直至抵達(dá)最佳時(shí)間停止。進(jìn)一步增加焊接時(shí)間會(huì)導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度下降或許只是稍稍增加強(qiáng)度，而與此同時(shí)會(huì)增加焊縫飛邊和前進(jìn)產(chǎn)生零件壓痕的或許性。避免過(guò)焊是很重要的，由于會(huì)產(chǎn)生需修整的過(guò)量飛邊，這或許下降焊縫質(zhì)量，在需密封接頭的零件中產(chǎn)生漏隙。焊頭或許擦傷外表。較長(zhǎng)焊接時(shí)間時(shí)在遠(yuǎn)離接頭區(qū)域的零件部分還或許出現(xiàn)熔化和開(kāi)裂，尤其在模制件中的孔洞、焊合線和尖角處是這樣。

4. 保壓時(shí)間

保壓時(shí)間是指焊后零件在無(wú)振動(dòng)壓力下結(jié)合和凝聚的標(biāo)稱(chēng)時(shí)間。在大部分情況下，它并不是一個(gè)要害參數(shù)，0.3~0.5 s一般足夠了，除非內(nèi)載荷易于拆開(kāi)焊接零件(如焊前壓縮的螺旋彈簧)

5. 焊接壓力

焊接壓力供應(yīng)了焊頭與零件耦合所需的靜力，以便振動(dòng)傳入零件中。在焊接循環(huán)的保壓階段接頭處的熔化材料凝聚時(shí)，相同的靜載荷保證零件連成一體。最佳壓力的承認(rèn)關(guān)于出色焊接是必不可少的。假定壓力過(guò)低，會(huì)構(gòu)成能量傳遞差或不足的熔體活動(dòng)，導(dǎo)致不必要的長(zhǎng)時(shí)間焊接循環(huán)。增加焊接壓力會(huì)削減完成相同位移所需的焊接時(shí)間。假定壓力過(guò)高，會(huì)構(gòu)成沿活動(dòng)方向的分子取向及下降焊縫強(qiáng)度，或許產(chǎn)生零件壓痕。極點(diǎn)情況下假定相關(guān)于焊頭端部振幅來(lái)說(shuō)壓力過(guò)高，或許會(huì)過(guò)載、使焊頭中止。在超聲波焊接中，高振幅需低壓力，低振幅需高壓力。跟著振幅的增加，可接受的壓力規(guī)劃變窄。因此高振幅時(shí)最重要的是找到最佳壓力。大多數(shù)超聲波焊接是在恒壓或恒力下進(jìn)行的。關(guān)于某些裝置，循環(huán)進(jìn)程中力是能夠改動(dòng)的，即進(jìn)行力分階(force profiling)，在超聲波能量施加給零件期間焊接作用力減小。在焊接循環(huán)后期下降的焊接壓力或作用力削減了從接頭處的材料擠出量，延長(zhǎng)分子間擴(kuò)散時(shí)間，減低分子取向并前進(jìn)焊縫強(qiáng)度。關(guān)于有較低熔體黏度類(lèi)似聚酰胺的材料而言，這或許大大前進(jìn)焊縫強(qiáng)度。

6. 焊接方式

按時(shí)間焊接稱(chēng)之為開(kāi)環(huán)進(jìn)程。待焊零件在焊頭下降和觸摸之前裝配于工裝夾具之中。然后超聲波作用于組件一段固守時(shí)間，一般是0.2~ 1 s。這個(gè)進(jìn)程并不出現(xiàn)成功焊接。成功焊接是在假定固定的焊接時(shí)間導(dǎo)致固定量的能量作用于接頭，產(chǎn)生可控量的熔化條件下的抱負(fù)情況。實(shí)際上，從一個(gè)循環(huán)到下一循環(huán)保持振幅吸收的功率并不是一樣的。這是由于多個(gè)要素構(gòu)成的(如兩零件之間的合作)。由于能量隨功率和時(shí)間而改動(dòng)，時(shí)間固定，施加的能量從一個(gè)零件到下一零件會(huì)產(chǎn)生改動(dòng)。關(guān)于一起性非常重要的大批量生產(chǎn)，這顯然是不合乎要求的。按能量焊接是具反應(yīng)控制的閉環(huán)進(jìn)程。超聲波機(jī)器軟件測(cè)量吸收的功率并調(diào)度加工時(shí)間以便向接頭傳遞所需的能量輸入。這個(gè)進(jìn)程的假定是假定每道焊縫耗費(fèi)的能量相同，接頭處熔化材料的數(shù)量每次是相同的。然而實(shí)際情況是在焊接套件中以及尤其在焊頭和零件界面處存在能量損耗。成果，某些零件或許比其它零件獲得更多的能量，或許構(gòu)成焊縫強(qiáng)度不一起。按距離焊接答應(yīng)零件按特定的焊接深度連接。這種方式運(yùn)作不取決于時(shí)間、吸收的能量或功率，補(bǔ)償模制件中的任何尺度偏差，因此最好地保證了每次在接頭中熔化相同數(shù)量的塑料。為了控制質(zhì)量，能夠?qū)?gòu)成焊縫所用的能量或所花的時(shí)間設(shè)定極限。