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振动摩擦焊接原理工艺分析

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本文系统介绍了塑料振动摩擦焊接原理,内容分为上、中、下三个部分。第一部分是概述、工艺过程和过程参数;第二部分是材料、零件和焊缝设计;第三部分是测试和应用案例。

1 震动摩擦焊接原理

典型塑料零件的连接方法有螺丝连接、搭扣、压装、胶水粘合和焊接。焊接是永久连接塑料零件的有效方法。塑料焊接工艺多种多样,有超声波焊接,旋转摩擦焊接,振动摩擦焊接,激光焊接,热气焊接,热板焊接和红外焊接等。

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振动摩擦焊接非常适合于焊缝处在一个大平面、相容性热塑性材料的焊接,能够实现高强度、承压大和高密封的焊接性能,是一种非常精确和高重复性的连续生产过程。其过程类似于将两个手掌互相压紧、来回移动产生热量。

优点和限制条件:

从材料方面

  • 熔融料不暴露在空气中,因此没有氧化降解的风险。

  • 对材料透明度、壁厚和焊接位置高度基本无要求,不像激光焊接或者超声波焊接受以上因素限制。

  • 热量集中在焊缝位置,热影响区域小,因此过热导致材料退化可能性要小得多。

  • 无法焊接低刚度模量热塑性塑料,如TPC。

  • 熔点差异大的材料无法焊接。

工艺过程

  • 经济,生产节拍快。

  • 设备相对简单。

  • 适合大规模生产。

  • 通过换模,可以生产多种产品。

  • 在焊接过程中几乎没有烟雾。

  • 产品在焊接过程中会受到振动,敏感零部件可能被损坏。

  • 因为焊接压力和横向力较大,所以不适合焊接尺寸较小的产品。

外观及形状要求

  • 焊接后焊缝周边有溢料,如果溢料不可接受,可以设计挡料槽避免溢料可见。

  • 焊接过程中会产生粉尘颗粒,影响零件内部清洁度。

  • 零件的翘曲可能会影响焊接效果。

  • 非常适合焊缝区域几乎平坦的零件。如果是曲面焊接,要求沿着振动方向,角度应小于15°;沿着与振动垂直方向,角度应小于40°。

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空气导管

2 振动摩擦焊接工艺

2.1 基本原理

两个塑料部件在一定的压力、振幅和频率下,相互接触摩擦。因摩擦产生热量,使得材料在焊缝界面处熔化。在压力下,熔融塑料从焊缝区域流出形成溢料,见图1。在振动停止后,熔融塑料层固化,并产生一个坚固的接头。

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图1 焊接过程示意图

振动摩擦焊接过程可分为四个不同的阶段,分别是固体摩擦阶段、固液相变阶段、稳态流动阶段和冷却阶段,见图2。

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图2 振动摩擦焊接的4个阶段

在固体摩擦阶段,两个零件表面相互摩擦产生热量。材料表层被加热达到熔点。热量产生的快慢取决于材料摩擦性能和焊接参数(频率、振幅和压力)。

在固液相变阶段,此时材料的加热方式由表面摩擦生热,转变为熔融状态下的层与层之间的剪应力加热。此时,熔融层厚度不断增大。但随着熔融层深度加大,加热能力逐渐减少。

在稳态熔体流动阶段,熔融速率等于向外流动速率(稳态)。只要达到这一阶段,熔融层的厚度就会变得恒定。直到达到设定的焊接深度,振动停止。

图3 焊缝区域熔体流动剖面示意图

图3显示了焊接区域熔体流动速率分布曲线。在中心流动速率最大,边缘流动速率最小。流动速率在厚度上呈现抛物线分布特点。

在振动停止后,熔体冷却并开始凝固,进入冷却阶段。焊缝在静态压力下凝固,从而使零件永久地结合在一起。

为了保证整个焊接区域均匀加热,从而保证均匀的焊接性能。应注意在整个焊接过程中,上下零件在焊缝区域要充分接触。充分接触可以通过改善零件尺寸精度、结构优化和治具设计来保证。

2.2 工艺参数

振动摩擦焊接通常用于大型零件焊接。对于较小的零件,可以实现一次多件(2-4件),实现更经济快速的焊接。下图的进气歧管是典型的振动摩擦焊接案例。

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图4 进气歧管

振动摩擦焊接最重要的工艺参数是频率,振幅,压力,时间和焊接深度。优化焊接参数,可实现非常高的焊接强度。不过,焊接参数的设置取决于材料种类、几何形状和清洁度等要求。

频率

振动摩擦焊有两种工作频率,一种是高频振动模式200-240Hz,另一中是低频振动模式80-120Hz。选择哪一种频率取决于上模具重量和高度。频率对焊缝质量无显著影响。

振幅

对于高频工作模式(如240Hz),输出振幅(峰值到峰值)0.5-1.8mm。对于低频工作模式(如100Hz),输出振幅2-4mm,见图5。通常,当零件之间的间隙限制在小于1.5mm时,使用高频振动。振幅越大,焊接时间越短,不过清洁度会变差。

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图5 振幅和频率曲线(蓝色代表高幅低频,红色代表低幅高频)

焊接压力

可调整范围区间大,从0.5到20 MPa。常用范围0.5-2.0 MPa。较高压力能减少焊接时间。

值得注意的是,焊缝压力过大,会导致大量熔体流出焊缝区域,熔体层下方的了冷态塑料进行粘接形成冷焊缝,大大减少焊接强度。

一般来说,焊缝强度对振动频率和振幅不是非常敏感。对于含有玻璃纤维的材料,应尽可能限制或减少熔体流动。因为熔体的横向流动,会导致玻纤排布方向发生改变,减少焊缝的焊接强度。高粘度材料能承受较高的焊接压力。但较高的压力会增加第一阶段(固态摩擦阶段)的粉尘数量。

焊接时间

振动摩擦焊接过程有两种控制方式:时间控制和深度控制。一般常用焊接深度控制方式。

焊接深度

决定焊缝强度最重要的因素是焊接深度。当焊接深度超过一个临界阀值,即达到第三阶段(稳态流动阶段)的最小深度,焊接强度就能够达到母体材料强度。

当焊接深度小于这个临界阀值时,焊接强度减少。焊接深度大于这个临界阀值时,对于同种塑料之间的焊接,不会增大焊接强度。对于不同塑料之间的焊接,却可以增大焊接强度。

只要达到这个临界阀值,焊接强度对焊接频率和振幅大小不敏感。当处于恒定阀值(高于临界阀值)时,压力增大,焊接强度降低。

上述的建议可以作为参数设置的起点。精确的参数设定还与材料种类、几何形状、强度要求、密封要求和清洁度要求相关。

下面是典型的参数设定:

焊接压力:1.4MPa(200psi)

频率:240Hz

振幅:1.8mm

焊缝深度:1.5mm

时间:3.5s

保压时间:0.5倍的焊接时间



3 材料

3.1 热塑性塑料

热塑性塑料是由单体重复连接形成的长链分子组成,其一个重要特性是加热软化和熔化,冷却凝固和硬化。当同种材料的两个塑料零件焊接时,分子链扩散到界面上,相互缠绕形成化学键,见图1。

塑料连接来自分子链扩散和化学键形成。该原理适用于热塑性材料的所有焊接技术。

图1 焊接过程中的分子链扩散和缠绕结合

热塑性塑料的热传导率低,使得材料熔融后的冷却速率足够低,从而形成强化学键。与金属焊接大大不同,金属热传导率高,热量很快传递出去。

几乎所有的热塑性材料都可以采用振动摩擦焊接,包括结晶,无定形、填充、发泡和增强型塑料。无定形塑料如PC,比半结晶更容易焊接。该工艺不适合于非常柔软的材料如TPC。热固性塑料不能焊接,因为其分子链已经发生化学交联,无法扩散。

振动摩擦焊接原理和焊缝设计(中)-- 材料

3.2 材料种类和组成

材料的类型和添加剂对焊接性能有显著影响。

  • 材料类型影响焊接强度,见图2。图中列出了PA6 GF30,PA46 GF30,PA66 GF30,PPA GF30振动摩擦焊接强度对比。

  • 材料粘度影响焊接强度。较高粘度能够促进熔融状态下的材料分子快速扩散和缠绕结合。

  • 玻璃纤维,详见下一节。

  • 添加剂。一些添加剂会影响结晶速率。例如,炭黑色粉加速结晶,而黑色染料减缓结晶过程。一般来说,结晶速率慢有助于提高焊接质量,因为其允许在更多的时间里进行分子链化学连接。

  • 含水量。放置了长时间的塑料含水量会增加。导致焊接后焊缝区域形成气泡,减少焊接强度。 因此为了避免气泡的形成,在焊接前需要对零件进行干燥处理。

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图2 塑料种类对焊接强度的影响

3.3 玻纤增强型材料

含玻璃纤维的塑料与纯树脂塑料的焊接行为相似。不过,含玻纤塑料的焊接需要更多时间,才能进入稳态流动阶段。对于含30%玻纤塑料,其焊接强度明显低于本体强度。为什么会发生这种情况?是因为摩擦振动引起玻璃纤维排布方向发生了改变。

由于施加压力,熔融材料被横向挤压出来,玻璃纤维也参与了流动。在焊接结束后,玻璃纤维排列方向发生变化,垂直于拉伸方向。这种不利的排列方向是导致焊接强度降低的原因。也导致焊缝处断裂。

图3对比了焊接件和非焊接件的断口电镜扫描,试验棒材料PA6 GF30。焊接件断口位置在焊缝区域。这些电镜扫描照片表明,焊接件的焊缝区域纤维取向主要在断裂的平面上;而非焊接件的纤维取向是垂直于断裂平面,导致大量的纤维拔出,从而产生较高的强度。因此焊缝不像本体材料那么坚固,它接近未填充PA6的性能。

图3 焊接件和非焊接件的断口电镜扫描

3.4 材料的焊接相容性

由于分子链在界面上的扩散是形成强键的必要条件,所以熔融材料的分子流动性,以及焊缝两侧分子之间的相容性很重要。一般情况下,焊接的两个零件建议使用相同或者类似的材料。

然而,只要材料具有一定程度的相容性,不同材料的焊接仍然是可能的。

例如,PA6、PA 66和PA 46在熔融状态下是可混合的,PBT和PET在熔化温度以上也是可混合的。PC与PET仅部分可混合,因为两者之间发生相容的化学反应(酯交换)。表1列出了不同聚合物材料焊接的相容性,其中+代表可焊接。

震动摩擦焊接材料熔接性能

振动摩擦焊接材料熔接性能表



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