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塑料超声波焊接加工质量因素分析.doc
塑料超声波焊接加工质量因素分析
摘要:塑料超声波焊接凭借其焊接速度快、焊缝质量高的特点而得到了广泛的应用,针对影响其焊接质量的因素,从焊接原理、焊接机设备、加工参数、焊接工艺以及塑料材料本身等几个方面进行了介绍与分析,着重剖析了焊接机设备与工艺优化对焊接质量的影响,并提出了相应的解决方法。
关键词:超声波焊接 焊接质量 影响因素分析
引言
1956年超声波焊接技术被首次提出,此后几十年超声波焊接作为一种新颖的塑料加工技术,凭借其焊接速度快、焊缝质量好、易于自动化、适合于大批生产的优势而在汽车、电子、化工、医药、机械等行业得到了极为广泛的应用[1,2,3]。随着塑料材料大量应用于工业生产和日常生活中, 对其焊接技术的要求也越来越高,这是因为实际加工中很多结构复杂的塑料产品由于其工艺限制等原因而不能一次加工成型,通常需要采用焊接的方法来将零部件无缝连接到一起,构成一个完整的塑料零件,其焊接质量的好坏直接影响到产品的质量。塑料材料焊接当前采用最多的焊接方法即是超声波焊接,如何进一步提升塑料超声波焊接的焊接质量即成为制约塑料材料应用的重要因素之一。基于此,本文详细介绍了塑料超声波焊接的原理及构成并对影响其焊接质量的因素做了详尽的分析。
1 超声波焊接原理
超声波通常是指频率在20KHz 以上的弹性机械振动,其最明显的特性是方向性好,能量高,可以定向传播。基于此特性,当超声波垂直加到待焊接的塑料表面上时, 焊接面上的质点就会因超声波激发而快速振动, 使其连续交替地受压和解压, 在界面上因强烈振动而产生摩擦, 释放出大量的热。超声波引起的摩擦分为两部分即分子间内摩擦和表面剪切摩擦,分子间内摩擦是由于塑料材料内部分子因声波激发振动而产生的,而表面剪切摩擦是由于接触面在振动过程中产生滑移引起周期性结合与分离产生的。分子间内摩擦和表面剪切摩擦的综合效应称为聚合物振动摩擦,振动摩擦使机械能转换为热能,加之塑料导热性差,热量不易散发,便在焊接处形成局部高温,使结合处的材料迅速融化,振动停止后, 熔融的塑料在一定的压力下定形并构成坚固的分子链,达到焊接的目的。[3,4]
2 超声波焊接加工质量的影响因素分析
影响塑料超声波焊接加工质量的因素大致可以分为三大类:超声波焊接机对加工质量的影响、工艺优化对加工质量的影响以及塑料材料对加工质量的影响,现分别从这3点进行说明。
2.1 超声波焊接机对焊接质量的影响
超声波焊接机主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、焊头及配套的夹具组成,焊接机的好坏是决定能否成功焊接的前提。
超声波发生器作为超声波焊接机的核心组成部分,其性能的好坏对焊接质量有着决定性的影响。超声波发生器的作用主要是用于将工频电流转变为超声波频率的振荡电流,其核心要求之一即是要求能频率自动跟踪控制,即要求其能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪,以保证整机工作在谐振频率内,这是因为系统振动一旦失谐,直接将导致振幅降低,造成焊接质量不稳定甚至失败。其次超声波发生器还应具有功率自适应功能,能在工作中根据负载的变化来调节输出的功率,以实现焊接机的高效率与高稳定性[5]。
换能器是用来将发生器产生的高频电能转换为弹性机械能的装置,是超声波声学系统的关键部件之一,其原理是利用单晶体材料的逆压电效应将输入的电功率转换为机械功率。换能器与超声波发生器之间的匹配是保证焊接质量的要点,必须保证两者之间的谐振,否则易导致换能器发热、温度过高、易损坏,同时也可能导致发生器电源的损坏。
超声波的原始振幅一般很小,通常只有几微米,而实际加工应用中所需要的振幅在几十到几百微米左右,所以通常需要通过变幅杆将其振幅放大,并且变幅杆还可以起到机械阻抗的作用,在换能器与负载之间进行阻抗匹配,使超声波能量更有效地从换能器向待焊接面传递。对变幅杆的主要要求是在工作频率内材料损耗小,传递效率高,同时其疲劳强度要高而声阻要小,以获得较大的振动速度和振幅位移。
超声波焊头是超声波能量传递的最后一个环节,它将超声波产生的高频振动传递到待焊接的表面上,因其要传递超声波,所以焊头一定要工作在谐振状态下,即焊头的固有谐振频率要与换能器匹配,其次还要求其振幅均匀,焊头端面形状适应被焊接工件的形状。
超声波焊接夹具主要起定位和承载的作用,夹具的加工精度对焊接产品的形状和精度有直接的影响,夹具与焊接产品的角度和弧度不吻合时易造成产品焊接后尺寸偏差甚至发生变形。夹具按照焊接产品仿形加工完后还需要微调其固有频率,使其频率与超声波焊接机吻合,以达到最佳的焊接效果[6]。
2.2 工艺优化对焊接质量的影响
塑料超声波焊接的工艺优化主要包括加工参数优化与焊接工艺优化。
工艺参数优化,适宜的加工参数是保
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