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PPS、PPE超声波焊接工艺

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PPS超声波焊接原理和技巧

概述

文章对PPS塑料超声焊接的常见问题,如超声焊筋设计、焊接条件和焊接强度,进行详细描述。超声波技术不仅用于组件焊接,也同样适合超声波铆接和超声波镶嵌工艺。

PPS(聚苯硫醚)是一种半结晶热塑性塑料,具有陡峭的熔融曲线和较高的熔化温度(285°C,545°F),其纯料PPS不适合超声波焊接。但在添加玻璃纤维和其它填料后,因PPS混合物刚度大大增加,有助于超声波振动传递,所以可用超声波焊接。在焊接筋设计合理的条件下,玻纤含量40% PPS可以很容易焊接。然而继续增加玻纤含量和矿物粉时,因为混合物中树脂成分含量变低了,导致超声焊接困难。

焊接筋设计

PPS产品焊接筋设计对焊接强度至关重要。需要从组件装配上考虑零件及焊接筋的设计,以及这些设计对超声波焊接工艺的影响。

对于PPS材料焊接,一般采用剪切缝设计。对于采用三角导能筋或者台阶式焊筋设计,不同型号含有不同成分的PPS有不同的焊接结果。对于含填料份量高的PPS混合物,在熔化时没有足够的流动性,无法流入两侧形成更多粘接区域,因此该类PPS混合物不适合采用三角导能筋或者台阶式焊筋设计。

对于剪切缝,在焊接过程中在连接界面上产生类似“涂抹”的动作,从而使得熔融塑料产生更大的流动性,更容易焊接。试验证明,对于填料含量高的PPS,使用剪切缝的产品拉拔力是采用台阶式焊筋拉拔力的6倍。同时,剪切缝熔融和粘接区域更大,有助于密封。

典型的剪切缝和台阶式焊筋设计见下图1和图2。

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对于最大尺寸大于89mm,或者形状不规则的产品,由于注塑误差难以控制会导致焊接结果不稳定。因此,对于尺寸较大或者形状不规则的产品不推荐剪切缝设计,而是推荐三角导能筋/台阶式/沟槽缝设计。一般来说,剪切缝的焊接深度大约是壁厚的1.25倍。

对于PPS薄壁件的超声近场焊接,采用高频率(如20Khz或者30Khz)和低振幅的焊接工艺更容易获得成功。同时,具有瞬时功率小和防止部件损害的优点。当采用导能筋焊筋设计时,对于典型的半结晶材料,三角筋尖角采用60°,底边宽度一般是20%-25%的壁厚,高度是底边宽度的0.866倍。

在设计选择超声波焊接工艺的产品时,必须考虑到尽量减少非必要的超声波能量损失,记住这一点很重要。超声波沿焊头运动的方向传播振动,能量大小与墙壁截面大小成正比。要振动的部分应该是装配件中位置最上、重量最轻的零件,同时在焊筋上方应设计方便与焊头接触的较大平面。有时,还需要设计特殊的结构将振动能量直接传递到焊缝处,例如在盖子边缘增加凸起的唇边结构。适当的零件组装间隙也是必要的,以避免干涉导致焊筋虚焊。振动路径上的零件应增加倒圆角结构,圆角大小是墙壁壁厚的0.6倍,以避免超声波焊接时零件开裂。对称设计的零件更容易焊接,因为其压力和能量分布均匀。

总而言之,以下是要避免的错误焊缝设计:

  • 装配组件间隙设计太小,存在紧或者干涉配合,阻碍超声波振动有效传递到焊筋处;

  • 传递超声振动的零件截面过小/薄,导致在大振幅下产生破裂;

  • 焊筋尺寸过大,导致瞬时功率输出过大,可能损伤零件;

  • 直接与焊头接触的零件,不是组件中位置最上、重量最轻的零件;

  • 内部尖角可能导致零件开裂;

  • 内部金属插件会吸收超声振动,降低焊接效率,因此应在超声焊接后组装金属件。

焊接工艺建议

最佳超声波焊接工艺很大程度上取决于零件质量和组件装配精度,以及所使用的焊接设备和治具。在产品设计阶段,征求制造商的意见是很重要。焊接参数的调整应考虑零件材料成分、尺寸误差和刚度,以及焊头接触产品位置与焊缝之间的距离。产品的可焊接性能,是指材料在不受损伤情况下传递超声波振动的能力。

由于PPS是一种高熔点的半结晶热塑性塑料,通常需要大振幅的超声波振动来熔化塑料形成焊缝。考虑PPS的高模量(高刚度)特性,因此输出的振幅能够在塑料件中传递相当长的距离。当焊头与焊缝之间距离越大,需要的振幅也就越大。在近场焊接(焊头接触面与焊缝之间距离小于6mm)时,采用高频率和较低振幅的焊接工艺,能够实现更高的焊接效率。在远场焊接(焊头接触面与焊缝之间距离大于6mm)时,振幅传递距离受限于产品结构,当墙壁越薄,超声振动传递距离越短。

焊接所需的功率取决于焊接区域面积的大小,零件的几何形状和材料的吸收特性。PPS焊接时通常需要高功率输出,以保证大部分能量非常快速的传递到焊缝处,同时避免对零件造成振动损伤。焊头的速度要与PPS塑料熔化和焊缝成形速度相匹配。

当产品采用剪切缝设计时,初始参数可设定为高功率输出、大变比调幅器、低焊接压力,和较慢的焊接速度。然后,再根据实际焊接结果进行下一步调整。焊接时注意,大振幅和长时间振动会损伤零件表面。最大的焊接强度是在保压阶段形成。若气密性不佳,可增大动态保压距离或者保压时间来进行改善。

采用剪切缝设计时,需要注意的是产品墙壁的侧面支撑,以避免焊接中零件侧壁张开导致焊接强度不良问题。治具可由铝、钢、树脂或其它材料制成。治具与产品的配合间隙要适当,以提供适当的支撑,并方便零件的取放。

焊接强度

焊缝的强度通常比本体材料低得多。因为焊缝上几乎没有什么玻璃纤维,所以焊缝强度主要取决于树脂本身的强度。即变是在焊接纯树脂材料(不含玻璃纤维增强)时,焊缝强度通常也没有本体材料大。对于某些特定的PPS材料,焊接强度可达50Mpa;对于大多数PPS材料,焊接强度不足35Mpa。此外,焊接强度随着温度升高而降低,如下图(纯料PPS抗拉强度随温度变化图)所示。

除此之外,还有许多其它因素会影响焊接强度:

  • 焊接区域面积。焊线越长,熔融塑料越多,焊接强度越大。但实际上,受注塑精度和治具等因素影响,焊接区域面积会比设计预想的要小很多。

  • 注塑件尺寸精度和质量。注塑缺陷如空隙,会吸收超声振动,影响能量传递。可能会导致零件表面烫伤和内部裂纹,以及较低的焊接强度。

  • 润滑剂或脱模剂的此类表面污染,会减少摩擦生热从而阻碍焊接过程。同时,因杂质进入焊缝,会损害焊缝强度。

  • 焊接过程中,焊缝处PPS塑料迅速熔化和迅速冷却,容易产生较多的非晶态(无定形)的状态。当产品使用温度超过85°C,PPS会逐步转变成半结晶状态,从而在产品内部产生额外的应力。


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