浅谈超声波塑料焊接技术
2009-12-27 14:57:10 阅读112 评论0 字号：大中小
随着工业生产的迅速发展，塑料以其 重量轻、比强度高、耐腐蚀、易加工等优点广泛用于国民经济和人民生活的各个领域。但是，由于加工工艺等方面的原因，很多结构复杂的产品不能一次加工成型，需要把多个零部件无缝连接到一起，大体有两种方法：粘接和焊接。一般来将，粘接工艺生产效率低并且胶粘剂都有一定的毒性，容易引起环境污染和危害生产人员健康的不良后果。所以，塑料焊接工艺得到了越来越广泛的应用。
在实际生产过程中，并不是所有的塑料材料都可以进行焊接， 能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料， 只有分子结构相同或相近的热塑性塑料才能进行焊接，在焊接面上是分子间的化学结合，所以母体材料越相近，焊接效果越好。下图是一些常见塑料焊接相容性的比较。
我们还需要考虑 到 影响焊接质量的因素才能得到较好的焊接效果。在进行焊接时，压力、时间、吸热量（熔融量）是确保焊接质量的三要素。
1. 压力
对焊接表面施加适当的压力，焊接材料将由弹性向塑性过渡，还可以促进了分子相互扩散并挤去焊缝中的残余空气，从而增加焊接面密封性能。
2. 时间
要有适当的热熔时间和足够的冷却时间。当热功率一定时，时间不够会出现虚焊，时间过长会造成焊件变形，熔渣溢出，有时还会在非焊接部位出现热斑（变色）。必须保证焊接面吸收足够的热量达到充分熔融的状态，才能保证分子间充分扩散融合，同时必须保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。
3. 熔融量
热熔时间和热功率协调调整才会的到最恰当的熔融量，保证足够的分子间融合，xx虚焊的现象。除了焊接设备和操作人员技能水平外，来之于塑料内部或外部的各种因素，对焊接质量有一定的影，应当引起重视。
? 塑料的吸湿性
如果焊接潮湿的塑料制品，内含的水分会在受热后化为蒸汽跑出而在焊面上出现气泡，使焊接面密封性能减弱。吸湿较为严重的材料有 PA 、 ABS 、 PMMA 等。用这些材料做的制品，焊前必须进行干燥处理。
? 塑料中的填充物
如玻璃纤维、滑石粉、云母等，它们改变了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接质量有很大的关系。填充物含量低于 20% 的的塑料可以正常进行焊接，不需要进行特殊的处理。填充物含量超过 30% 时，由于表面塑料比例不足，分子间融合的不够，会降低密封性。
? 焊接面的清洁
焊接表面必须清洁没有杂质，才能保证足够的焊接强度和气密性。
在选取正确的可焊接的材料和排除了影响焊接效果的不利因素外，还要根据材料种类和制品形状、成本的的高低采取适当的焊接方法。按所采用的加热软化方式的不同， 塑料 焊接方法可分为通过外加热源软化、通过机械运动方式软化、种和通过电磁作用软化几种。
通过外加热源方式软化的焊接技术有以下几种：
? 热板焊接
可能是最简单的塑料焊接技术，但这种方式特别适合于需要大面积焊接面的大型塑料件的焊接， 一般是用平面电热板将需焊接的两平面熔融软化后迅速移去电热板合并两平面并加力至冷却。 这种方法焊接装置简单，焊接强度高， 制品、焊接部的形状设计相对来说比较容易。但 由热板产生的热量使制品软化，周期较长；熔融的树脂会粘附到电热板上且不易清理（电热板表面涂 F4 可减轻这种现象），时间长了形成杂质影响粘接强度；需严格控制压力和时间保证适当的熔融量；当不同种类的树脂或金属与树脂相接合时，会出现强度不足的现象。
? 热风焊接
当热风气流直接吹向接缝区时，导致接缝区和与母材同材质的填充焊丝熔化。通过填充材料与被焊塑料熔化在一起而形成焊缝。这种焊接方法焊接设备轻巧容易携带，但对操作者的焊接技能要求比较高。
? 热棒和脉冲焊接
这两项技术主要用在连接厚度较小的塑料薄膜的焊接。并且这两种方法相似，都是将两片薄膜紧压在一起，利用热棒或镍铬丝产生的瞬间热量完成焊接。
通过机械运动方式软化完成焊接的方法有：
? 按运动轨道可分为直线型和旋转型
直线型可用于直线焊缝的焊接和平面焊接的焊接，旋转型可用于圆形焊缝的焊接。在利用压力下的两部分在摩擦过程中产生的摩擦热量使接触部分的塑料熔融软化，对正固定直到凝结牢固。
? 超声波焊接
超声波焊接就是使用高频机械能软化或熔化接缝处的热塑性塑料。被连接部分在压力作用下固定在一起，然后再经过频率通常为 20 或 40 千赫的超声波振动， 换能器把大功率振动信号，转换为相应的机械能，施加于所需焊接的塑料件的接触界面，焊件接合处剧烈摩擦瞬间产生高热量，从而使分子交替熔合，从而达到焊接效果。
超声波焊接过程很快，焊接时间不到一秒，并且很容易实现自动化，在 电子、电器、汽车零件、塑料玩具、文具用品、日用品、工艺品、化妆品等各个行业 广泛应用。
运动方式焊接是一种全自动焊接过程，都需要专用焊接设备。一旦确定了正确的焊接参数，操作工即可稳定生产。其优点是：快速、灵活、焊接过程稳定且不需焊剂或保护气体，也不产生有害气体或熔渣，产品焊接质量有保证。
通过电磁作用软化表面的焊接方法有：
? 高频焊接
高频焊接 是利用电磁感应原理高频感应加热技术，穿透塑料制品对埋藏于塑料件内部的感应体或磁性塑料产生感应加热， 被焊塑料在快速交变电场中可以产生热量而 使需焊接部位迅速软化熔融，继而填充接口间隙，并以完善的机械装置辅助达到xx焊接。 产生高频感应的最为常用的方法是，利用高频电流通过线圈， 从而得到一个强大的高频磁场。感应体（即发热体）一般为铁、铝、不锈钢等材料， 但也使用通过添加磁性物质加工而成的磁性复合塑料。 通过这种方法焊接制作的产品包括文具夹，可充气物品，防水衣和血袋等等。
? 红外线焊接
这项技术类似于电热板焊接，将需要焊接接的两部分固定在贴近电热板的地方但不与电热板接触。在热辐射的作用下，连接部分被熔融，然后移去热源，将两部分对接，压在一起完成焊接。这种方式不产生焊渣、无污染，焊接强度大， 主要用于 PVDF 、 PP 等精度要求很高的管路系统的连接。
? 激光焊接
20 世纪 70 年代，激光开始被应用到塑料焊接上。它的原理是将激光器产生的光束（ 通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波） 通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，聚焦于待焊接区域，形成热作用区，在热作用区中的塑料被软化熔融，在随后的凝固过程中，已融化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来，通常用于 PMMA 、 PC 、 ABS 、 LDPE 、 HDPE 、 PVC 、 PA6 、 PA66 、 PS 等透光性好的材料，在热作用区添加碳黑等吸收剂增强吸热效果。塑料激光焊接的优点较多：焊接速度快、精度高；自动化、精密数控容易实现；成本相对较低。因此，塑料激光焊接技术在汽车、医疗器械、包装等领域得到了比较广泛的应用。
除了塑料和塑料之间的焊接， 由于汽车工业和其它工业轻体结构和经济效益的需要， 有些产品还需要 塑料与金属的混合 连接， 塑料热铆接技术应运而生。这种热铆技术工艺简单，容易实现，安全可靠，使塑料和金属部件以{zj0}承担载荷的方式结合，产品质量减小，经济性提高。在采用铆焊法时，可以通过把一个整体模制预留的塑料轴销（铆桩）加热软化再经冷模头冲压变形后将部件锁在一起（形成铆钉帽，“热桩”），因而更为方便、经济。
随着工业生产的需要，塑料焊接技术会得到更加广泛的应用，也会有技术更为先进、使用更为方便的焊接技术出现。
在实际生产过程中，并不是所有的塑料材料都可以进行焊接， 能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料， 只有分子结构相同或相近的热塑性塑料才能进行焊接，在焊接面上是分子间的化学结合，所以母体材料越相近，焊接效果越好。下图是一些常见塑料焊接相容性的比较。
我们还需要考虑 到 影响焊接质量的因素才能得到较好的焊接效果。在进行焊接时，压力、时间、吸热量（熔融量）是确保焊接质量的三要素。
1. 压力
对焊接表面施加适当的压力，焊接材料将由弹性向塑性过渡，还可以促进了分子相互扩散并挤去焊缝中的残余空气，从而增加焊接面密封性能。
2. 时间
要有适当的热熔时间和足够的冷却时间。当热功率一定时，时间不够会出现虚焊，时间过长会造成焊件变形，熔渣溢出，有时还会在非焊接部位出现热斑（变色）。必须保证焊接面吸收足够的热量达到充分熔融的状态，才能保证分子间充分扩散融合，同时必须保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。
3. 熔融量
热熔时间和热功率协调调整才会的到最恰当的熔融量，保证足够的分子间融合，xx虚焊的现象。除了焊接设备和操作人员技能水平外，来之于塑料内部或外部的各种因素，对焊接质量有一定的影，应当引起重视。
? 塑料的吸湿性
如果焊接潮湿的塑料制品，内含的水分会在受热后化为蒸汽跑出而在焊面上出现气泡，使焊接面密封性能减弱。吸湿较为严重的材料有 PA 、 ABS 、 PMMA 等。用这些材料做的制品，焊前必须进行干燥处理。
? 塑料中的填充物
如玻璃纤维、滑石粉、云母等，它们改变了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接质量有很大的关系。填充物含量低于 20% 的的塑料可以正常进行焊接，不需要进行特殊的处理。填充物含量超过 30% 时，由于表面塑料比例不足，分子间融合的不够，会降低密封性。
? 焊接面的清洁
焊接表面必须清洁没有杂质，才能保证足够的焊接强度和气密性。
在选取正确的可焊接的材料和排除了影响焊接效果的不利因素外，还要根据材料种类和制品形状、成本的的高低采取适当的焊接方法。按所采用的加热软化方式的不同， 塑料 焊接方法可分为通过外加热源软化、通过机械运动方式软化、种和通过电磁作用软化几种。
通过外加热源方式软化的焊接技术有以下几种：
? 热板焊接
可能是最简单的塑料焊接技术，但这种方式特别适合于需要大面积焊接面的大型塑料件的焊接， 一般是用平面电热板将需焊接的两平面熔融软化后迅速移去电热板合并两平面并加力至冷却。 这种方法焊接装置简单，焊接强度高， 制品、焊接部的形状设计相对来说比较容易。但 由热板产生的热量使制品软化，周期较长；熔融的树脂会粘附到电热板上且不易清理（电热板表面涂 F4 可减轻这种现象），时间长了形成杂质影响粘接强度；需严格控制压力和时间保证适当的熔融量；当不同种类的树脂或金属与树脂相接合时，会出现强度不足的现象。
? 热风焊接
当热风气流直接吹向接缝区时，导致接缝区和与母材同材质的填充焊丝熔化。通过填充材料与被焊塑料熔化在一起而形成焊缝。这种焊接方法焊接设备轻巧容易携带，但对操作者的焊接技能要求比较高。
? 热棒和脉冲焊接
这两项技术主要用在连接厚度较小的塑料薄膜的焊接。并且这两种方法相似，都是将两片薄膜紧压在一起，利用热棒或镍铬丝产生的瞬间热量完成焊接。
通过机械运动方式软化完成焊接的方法有：
? 按运动轨道可分为直线型和旋转型
直线型可用于直线焊缝的焊接和平面焊接的焊接，旋转型可用于圆形焊缝的焊接。在利用压力下的两部分在摩擦过程中产生的摩擦热量使接触部分的塑料熔融软化，对正固定直到凝结牢固。
? 超声波焊接
超声波焊接就是使用高频机械能软化或熔化接缝处的热塑性塑料。被连接部分在压力作用下固定在一起，然后再经过频率通常为 20 或 40 千赫的超声波振动， 换能器把大功率振动信号，转换为相应的机械能，施加于所需焊接的塑料件的接触界面，焊件接合处剧烈摩擦瞬间产生高热量，从而使分子交替熔合，从而达到焊接效果。
超声波焊接过程很快，焊接时间不到一秒，并且很容易实现自动化，在 电子、电器、汽车零件、塑料玩具、文具用品、日用品、工艺品、化妆品等各个行业 广泛应用。
运动方式焊接是一种全自动焊接过程，都需要专用焊接设备。一旦确定了正确的焊接参数，操作工即可稳定生产。其优点是：快速、灵活、焊接过程稳定且不需焊剂或保护气体，也不产生有害气体或熔渣，产品焊接质量有保证。
通过电磁作用软化表面的焊接方法有：
? 高频焊接
高频焊接 是利用电磁感应原理高频感应加热技术，穿透塑料制品对埋藏于塑料件内部的感应体或磁性塑料产生感应加热， 被焊塑料在快速交变电场中可以产生热量而 使需焊接部位迅速软化熔融，继而填充接口间隙，并以完善的机械装置辅助达到xx焊接。 产生高频感应的最为常用的方法是，利用高频电流通过线圈， 从而得到一个强大的高频磁场。感应体（即发热体）一般为铁、铝、不锈钢等材料， 但也使用通过添加磁性物质加工而成的磁性复合塑料。 通过这种方法焊接制作的产品包括文具夹，可充气物品，防水衣和血袋等等。
? 红外线焊接
这项技术类似于电热板焊接，将需要焊接接的两部分固定在贴近电热板的地方但不与电热板接触。在热辐射的作用下，连接部分被熔融，然后移去热源，将两部分对接，压在一起完成焊接。这种方式不产生焊渣、无污染，焊接强度大， 主要用于 PVDF 、 PP 等精度要求很高的管路系统的连接。
? 激光焊接
20 世纪 70 年代，激光开始被应用到塑料焊接上。它的原理是将激光器产生的光束（ 通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波） 通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，聚焦于待焊接区域，形成热作用区，在热作用区中的塑料被软化熔融，在随后的凝固过程中，已融化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来，通常用于 PMMA 、 PC 、 ABS 、 LDPE 、 HDPE 、 PVC 、 PA6 、 PA66 、 PS 等透光性好的材料，在热作用区添加碳黑等吸收剂增强吸热效果。塑料激光焊接的优点较多：焊接速度快、精度高；自动化、精密数控容易实现；成本相对较低。因此，塑料激光焊接技术在汽车、医疗器械、包装等领域得到了比较广泛的应用。
除了塑料和塑料之间的焊接， 由于汽车工业和其它工业轻体结构和经济效益的需要， 有些产品还需要 塑料与金属的混合 连接， 塑料热铆接技术应运而生。这种热铆技术工艺简单，容易实现，安全可靠，使塑料和金属部件以{zj0}承担载荷的方式结合，产品质量减小，经济性提高。在采用铆焊法时，可以通过把一个整体模制预留的塑料轴销（铆桩）加热软化再经冷模头冲压变形后将部件锁在一起（形成铆钉帽，“热桩”），因而更为方便、经济。
随着工业生产的需要，塑料焊接技术会得到更加广泛的应用，也会有技术更为先进、使用更为方便的焊接技术出现。
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