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热塑性塑料的焊接.doc

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塑性 塑料 焊接
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e 热 塑性塑 料 的焊接 通常认为热塑性焊接是不可逆的. 少数工艺如感应焊接可生产可逆组装件. 至于选择哪种方法应在制件没计初作出, 因为焊接方法对制件设计的要求可能是 重要的, 且不同焊接方法同差别显蓍. 1. 超声焊接 2. 振动焊接 3. 旋转焊接 4. 热板焊接 5. 感应焊接 6. 接触( 电阻) 焊 7. 热气焊接 8. 挤出焊接 热气焊接技术通常用来焊接塑料管, 片或半成品制品而不是注塑成型制件. 但许多热塑性模塑制件, 特别是热塑性汽车盘是用热气焊接技术修复的, 另外热 气焊接有时用来制备塑料样模制件. 超声焊接 焊接热塑性制件的最普通的方法是超声焊接. 这种方法是采用低振幅, 高频 率( 超声) 振动能量使表 面和分子摩擦产生焊接相连垫塑性制件所需的热量.(正 弦超声振动) 超声焊接在20-50kHz 的频率范围内发生, 其一般振幅范围为15-60um. 在低达15kHz( 较高振 幅) 的声频有时用于较大制件或较软材料. 焊接过程通常 在0.5-1.5s 内发生. 焊接工艺娈量包括焊接时间, 焊头位置和焊接压力. 超声 焊接设备通常用来焊接中, 小尺寸的热塑性塑料制件, 而很大的制件可用多点焊 接. 超声焊接方法可根据焊接时间或焊缝位置( 塌陷距离) 或焊接能量控制. 也 对焊接压力和冷却时间提供附加控制. 超声焊接设备一般不是在20kHz 就是在40kHz 频率下运行.20kHz 装置更 常用. 接头设计: 第一类即最常用的接头类型, 在被连接表面的垂直方向上利用超 声振动. 对接和Z 形接 合归入这一类, 适用于多数聚合物. 第二类超声焊接接头 包括与接头表面平行的振动, 形成剪切状态. 各 种类型的剪切和嵌接归入第二 类. 能量控制嚣接点与无定形材料一起使用最佳, 图1 所示较大的能量控 制嚣结可在一些不密闭的半结晶材料中应用. 对接接头 不良的对接接头设计 焊接时间过长 焊接能量过大 挤出焊体导致外观缺陷 改出的对接接头设计 焊接时间缩短 焊接能量减少 挤出的溢料(可见) 带有能量导向嚣的 对接接头 附加的溢料收集嚣 焊接面积减少 挤出熔体没有形 成品外观无缺陷 Z形接头 改进的耐剪切性 有助部件定位 挤出熔体没形成外观缺陷 典型的能量控制嚣尺寸/mm 无定形聚合物 半结晶聚合物 小部件 大部件 小部件 大部件 尺寸 h @ @图1 无定形和半结晶聚合物所用的能量导向嚣的近似尺寸 此图所示的焊接接头是对普通能量控制接头设计的独特的 改进. 下面式件用一个粗糙或有纹理的表面改进. 将会提 高焊接质量, 焊接强度和焊接完成的容易程度. 其它许多有纹理的接头外形也是可行. 溢料问题可通过把溢料污染槽引入接关设计中而降低, 为安全, 一般溢 料槽 设计至少10% 的过度体 积容量. *紧压接头: 为了使溢料形成的可能性最小, 紧压接头设计的目的是阻挡熔 体或将熔体保持在熔区内. 紧压接头对半结晶的塑料材料如尼龙是有用的. 因为 接关结构 更复杂, 紧压接关所需的制件配合公差相对严格. 与三角能量导向嚣焊 接相比, 较大的接头结构也需要附加振幅和焊接能量. 典型的紧压焊接几何结构 如图2 所示. 15 ° 锥度图2 典型的超声紧压焊接结构 制件找平 简单对接没有任何措施解决制件相互找平或对中. 制件找平更 适于用模塑定位销或双头螺完成. 而z 形接能 自动找平, 且在使用时耐拉伸且改 进了搞剪切负荷性. 并能消除外部溢料. 或0.20-0.64mm 或0.20-0.64mm 滑动间隙图3 超声焊接工艺用的典型z 开接头设计 (a) 焊接前的z 接头: (b) 焊接后的z 形接头:(c) 改进的 z 形接头: 台阶附带肩部掩盖了不平性, 结果使外观改进 *槽舌接合不但提供了剪切强度而且提供了拉伸强度. 这种接合是自对中的, 接合区域的壁厚必须相对大以适应槽舌接合设计. 另外, 制件公差要求 相对严. 间隔加强筋改善了接头找平. 图4 超声焊接工艺用的典型槽舌接合设计 *剪切接头 当焊接半结晶 聚合物 (或其它难以焊接的聚合物) 和需要密封 接头号时,一般推荐使 用剪切接。需要高强度,高质量接碚的环形和矩形制件 都用剪切接头。 剪切接头号具有搭接制件壁部分, 当接头被焊接和相互依次嵌入 时,搭接部分产生公差和局部剪切。为了促进制件找平,接头包含了调节部分。 为了集中熔融能量, 一边上的阻碍物的顶角在初始接触面上降低。 因为融化材料 的温度在整个接触面上保持一致,制件被焊接时,两表面熔融均匀。深度为 1.0-2.0mm 的使用0.13-0.5mm 范围内的公 差值。为了防止在焊接过程中由 于公差而产生的外部侧壁翘曲, 垂直的制件应尽 可能浅, 但在一边用剪切制件改 进的槽舌接头可与较深的拉伸制件一起使用, 提供中壁接头, 它使由于公差而产 生的侧壁翘曲最小。如图5 所示。 图5 典型的超声焊 接剪切接头设 计和典型的中 壁组装剪切接 头设计 (a ) 焊接前的部件; (b )焊接后的部件 1- 槽舌剪切接头:有助 于阻止部件向内弯曲;2- 支撑夹具:目的是在 焊接过程 中阻止下面部件壁向外弯曲;3- 上面的部件;4- 下面的部件 焊 2 4 3 *斜坡接合 斜坡接合设计也可为无定形和半结晶聚合物提供高强度密封 接头。 斜坡接合是自固定的且最适合小尺寸的圆形或椭圆形制件。 斜坡接合的焊 接能量 要求很高。 图6 超声焊执着用典型的斜坡接 合设计 (a ) 斜坡接合; (b ) 改进的斜坡接合(附 加公差) 1- 溢料槽;2- 夹具 斜坡接合具有30 °-60°的角且应该在 ±1 °内装配。 为附加 的熔区材料厚 度增加的0.10-0.25mm 的公差产生焊缝和 溢料。当从功能或审美上不能接受 溢料时,就使用收集器。 *带嵌入密封装置的焊接 用嵌入的弹性密封圈或韧性垫圈也可获得可靠 的密封。 如图7 所示接 头制件装有一个弹性环, 以改善用超声焊接接合可达到的 密封安全性,或在连续的周边焊接不可能的情况下使用。 图7 超声焊 接制件通常需要密 封接头 1- 能量导向器; 2- 弹性密封 *电栓焊 超声焊接设备也可生产电栓焊和销套触点焊接。 在不需要密封接 头的应用中,销套接头可用来连接相同的塑料材料。 铆 (0.2-0.4mm) 导 / (0.4- 0.8mm) / 铆 焊 图8 超声焊接设备可形成销孔型剪切接头 1- 溢料收集器;2- 焊接 前;3- 焊接后 * 超声铆焊 超声焊接的变异是超声铆焊. 即把一个热塑性制件固定在另一 个不同材料的制件上的方法. 铆钉或凸台在底部应该 有十分大的半径或 圆角, 以防裂纹或熔融. 为了集中超声能量,凸台的顶端应该设计成与焊头的初始接触 最小。 凸台顶部可以是平的或圆锥形的, 半结晶或填充的聚合物以圆锥形的较佳。 超声铆焊的完整性取决于铆钉和焊头之间的精确容量关系。 桩 桩 桩 桩图9 超声焊接设备可生产铆焊或各种结构 1- φ≧1.6mm 的铆钉;2- 尖锥触发熔融;3- φ ≧14.0mm 的铆钉 *标准铆焊 直径在1.6-4.0mm 这间的 平头铆钉。 刚性和柔性的不耐磨热 塑性塑料推荐使用标准外形。 *半球形铆焊 直径小于1.6mm 的铆钉建 议用在半球形铆焊上。 对耐磨塑 料是合适的。 *溢流式铆焊 溢流式铆焊用在要求表面为平的或隆起的及锁信制件的厚 度被允许使用的应用中。 *空心铆焊 直径大于4mm 的凸台或铆钉 去芯后可生盲孔凸台。 如图10 所示 当啮合 制件中不允许有通孔时, 超声焊接设备也能形成机械 互锁。 模制塑料铆钉 (与用于铆焊的类似) 和在啮合制件中的盲倒角可形成以公 差为基础(假设带倒角的制件不融化)的真正的机械接合。 图10 用超声焊接形 成机械互锁的示例 1- 带软化和变形铆钉的 热塑性部件;2- 具有倒角的啮合部件;3- 超声波焊头 *超声焊接的材料因素 超声焊接操作适合于多数热塑性材料。 ? 1 无定形聚合物, 特别是室温下外于玻璃态的无定形物, 通常是焊接 工艺的好的候选材料。 玻璃态无定形聚合物具有良好的透射性能, 允 许用看近场和远场焊接技术成功焊接。 当材料较软时, 开定形材料的 超声焊接就成问题。如:焊接高冲击ps 将比 焊接通用ps 一般需要 更多能量和附加振幅。 ? 2 半结晶聚合物一般更难用超声能量焊接. 增加由焊接体系发射的能 量值 (即增加振幅) ; 缩短焊 头/ 制件接触面与接头接口间的距离; 使 用近场超声焊接技术; 使用振幅高达0.05-0.15mm 的焊头. 这些高 焊接振幅需要使用钛焊头. 当需要高强度、密封组装时,剪切接头和 斜坡接合对半结晶聚合物都适用。 ? 3 焊接吸湿性聚合物:模塑后马上焊接制件(在它们仍是干燥时) ; 焊接前干燥制件;焊接前把制件存放在干燥器内。 振动焊接 振动焊接是摩擦焊接过程, 其间被焊接的制件在压力下磨擦到一起直到生成 的磨擦和剪切热量使头蚧面达到充分熔融状态。 一旦熔融膜已经形成渗入到足够 深的沓接区域,相对运动停止,在压力作用下焊缝冷却并固化。 振动焊接适用几乎所有的热塑笥塑料, 往复运动方向上具有允许的无约束运 动焊缝的制件,中型或大型制件。 振动焊接的材料因素与超声焊接类似: 无定形材料比半结晶聚合物更适合采 用振动焊接的类似。 ? 环形振动焊接 可连接焊区尺寸与焊区到旋转轴的距离近似相等的 制件。 ? 线性振动焊接 用在允许一个方向上线性振动的成套制件上。 接头 当被连接的整个表面是平的或稍向平面外弯曲时, 对制件来说振动焊接工 艺是最理想的。 ﹕120~240Hz. ﹕ 0.8~4.0mm 图11 振动焊接用典 型接头设计 (a) 焊接前的标准对 接接头;(b) 焊接后 的标准对接接头; (c) 用溢料收集改进 的对接接头 1- 焊接设备沟槽;2- 单平 面分型线;3- 焊接溢料 ;4- 带溢料收集器的接 合 旋转 焊 接 旋转焊接用来连接具有旋转对称接合表面的制件, 它属磨擦焊接工艺。 是连 接可大可小的圆柱形热塑性塑料制件的最有效的工艺。 用旋转焊接技术组装的制 件常常具有与周边垂直的连接板等特征。 它的生要加工变量是相对剪切速率、 焊 接压力和焊接时间。 旋转焊接的接头强度取决于材料、 接头设计和所用的加工条 件; 多数热塑性塑料可达到强的气密封接焊 缝。 旋转焊接对透射性能不好的材料 特别合适。 扭 图12 旋转焊接工艺 用的典型的基本接头结构 1- 对接接头;2- 槽舌 接合;3- 带收集器的T 、G 接合 4- 斜坡接合;5- 剪切 接合 电磁 焊 接 电磁焊接 (电感焊接) 是利用能达到熔化温度的电感能量连接热塑性制件的 方法。 也被称作特种插入焊接, 此间磁致旋光聚合插入物被一个高频电磁场加热。 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。 这种强磁 性填充聚合物包括细分散的、 微米尺寸的铁粒子、 氧化铁粒子、 不锈钢粒子或其它磁性物质, 它们成为电磁能的靶子。 按体积计算 的强磁性粉的装填量通常少于15%当施加在制 件上的力在焊接接头处产生剪切 时, 焊缝最结实。 实际 中最常用的接头是槽舌接头和Z 形接合。 感应焊接需要使 用具有附加成本的嵌入焊接材料, 且很不适合与含有电磁敏感零件的制件如金属嵌一起使用。 图13 电磁 焊接用的典型接头 结构 (a) 平型到槽纹 接头 (b) 舌状到槽纹 接头 (c) 剪切接头 (d) Z 形接头 接 触 ( 电 阻) 焊 接触电阻焊 电导线或条带被直接放入接头界面, 电线连接在电路中且用电 阻损失直接加热。 热量通过导热性传递给相邻的塑料材料, 因此塑性固体在局部 区域软化或溶化。 断电后, 焊接区或冷却, 压力使啮合制件彼此接触。 设备要求 最低, 焊接过程简单且速度快, 特别适合于焊 接很大的制件。 但需要损失加热电 线, 焊接后电线保留在原位, 增加了加工成本, 且电线的存在也对成品的焊缝强 度有不利影响。 热板 焊 接 热板焊接(对平型制件) ,它是用电加热金属模具使被连接塑料制件表面软 化的热塑性焊接过程。 几乎适用于所有的或大或小的热塑性制件。 特别适合焊接 较软的半结晶热塑性塑料如PE 或PP。由于不 同的模具表面温度能名适用于两 种不同的热塑性材料, 此工艺最适于焊接不同的材料。 热板焊接可达到很高的焊 接强度。但此工艺的周期可能相对长,小制件需15s,而很大的制件 需几分钟。 热 气 焊接 热气焊接是广泛用于连接热塑性型材和片材生产很大制件的焊接方法。 适用于需 要局部组装的较小的注塑成型制件、 热塑性制件的修理及样模制件的制造。 用与被焊接制件相同的聚合物品牌生产焊条是重要的 挤出 焊 接 挤出焊接是由热气焊接发展而来的焊接方法。主要较大片型结构的自动焊接。 粘接 黏合剂可用来连接相同原料聚合物的塑料制件, 一般用来边接由不同材料制 造的制件。 使热固性塑料制件相互连接, 或使塑料制件与金属连接。 黏合剂的优 点包括: ? 美观、设计灵活; ? 均匀的应力分布; ? 能够连接不同的材料; ? 能够提供大气\ 水\ 气体 的严密封口; ? 柔软黏合剂能缓冲振动; ? 能与薄而软的基材一起使用; ? 提供电绝缘和热绝缘性。 黏合剂的各种局限性: ? 接头性能不定性; ? 永久组装; ? 综合化学过程; ? 需要干净表面; ? 没有接头检测; ? 达到最大强度的时间。 黏合剂选择 特定应用的黏合剂的选择取决的因素包括: 使用环境、 应力值、 基材表面化 学、基材刚性特性、基材热膨胀系数、填缝要求和应用方法。 溶剂粘接 溶剂粘接是可以组装某些热塑性制件的方法, 最常用于无定形热塑性塑料制 件上。 溶 剂粘接是形成坚固的无定形热塑性制件密封组装的简单的、 相对便宜的 方法。溶剂的低黏度要求被粘接制件应该是不弯曲的且用相对紧的公差模制。
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