- 發(fā)布時(shí)間： 2019-03-11
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超聲波焊接的工藝參數(shù)設(shè)定包括超聲波焊接功率、超聲波頻率、超聲波振幅、超聲波焊接壓力、超聲波焊接時(shí)間等。
l. 超聲波的頻率
超聲波焊接的工作頻率通常在15-40kHz,對(duì)低頻反應(yīng)較差的材料,如PvC、PE等可以使用高頻進(jìn)行焊接,這可以減少對(duì)材料的損壞。高頻的超聲波能量傳遞集中,對(duì)于一些精細(xì)的零部件可以使用高頻的超聲波進(jìn)行焊接。超聲波焊接時(shí),由于負(fù)載的變化會(huì)造成超聲波設(shè)備的失諧現(xiàn)象,使焊接強(qiáng)度下強(qiáng)。一般情況下,焊接機(jī)的工作頻率確定后,需要保持聲學(xué)系保持諧振。
下面的方程可以描述超聲波的功率:
P=μSnv=-2Aω/π=4usaf
式中P超聲功率;F靜壓力;S焊點(diǎn)面積;v相對(duì)速度;A振幅;μ一摩擦因數(shù);w為角頻率;f為振動(dòng)頻率。
2.超聲波振幅
在較大的工作頻率和振幅下進(jìn)行焊接,可以減少焊接時(shí)問(wèn),提高工作效率。對(duì)于不同的材料都存在一個(gè)最佳的焊接振幅如表l所示。超聲波焊接20μm的振幅較小,通常建議使用40μm的振幅,因?yàn)檫^(guò)大的振幅常會(huì)使超聲波電源疲勞損壞,所以超聲波的振幅要求與超聲波電源匹配一致。
3. 超聲波焊接時(shí)間
焊接時(shí)間指焊接過(guò)程中發(fā)出超聲波能量的時(shí)間。焊接時(shí)間過(guò)短,能量不夠,并不能造成可靠的焊接結(jié)。隨著焊接時(shí)間的增加,能使焊件吸收更多的能量,焊接面的溫度會(huì)提高,焊合面積也會(huì)增大,焊接熔深增加,這樣焊接強(qiáng)度也會(huì)增加[22-24]。然而,過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間,會(huì)導(dǎo)致焊接位置材料熔化過(guò)多并造成較多的溢料。這些熔料在焊合區(qū)域流動(dòng)是有方向性的,所以過(guò)多的熔料流動(dòng)會(huì)造成強(qiáng)度的下降。另外,過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間會(huì)造成焊件溫度過(guò)高,造成焊件燒化和降解,使焊件表面造成焊痕,造成過(guò)焊,使強(qiáng)度下降。焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng),能量過(guò)多會(huì)造成熔化層溫度過(guò)高,被焊塑料變色、分解、脆化;而且焊接邊緣應(yīng)力集中,焊接表面出現(xiàn)壓痕。所以為了得到較高的焊接強(qiáng)度,必須要選擇合適的超聲波焊接時(shí)間,過(guò)短和過(guò)長(zhǎng)都會(huì)造成焊接強(qiáng)度的下降。
4. 超聲波焊接壓力
超聲波焊接壓力是指焊接過(guò)程中,焊頭施加到焊件上的靜壓力,通過(guò)靜壓力的施加向焊件傳遞超聲波能量。在超聲波焊接中,當(dāng)焊接時(shí)間一定時(shí),壓力關(guān)系著焊接面形成適合的接觸,對(duì)強(qiáng)度一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。在一定壓力范圍內(nèi),隨著壓力的增加,焊接的強(qiáng)度會(huì)提高。焊接壓力較低時(shí),焊件接觸不好,摩擦能不能有效的產(chǎn)生,超聲波的能量利用率低。較低的壓力會(huì)導(dǎo)致焊接部位熔料較少,無(wú)法形成有效焊接。但焊接壓力過(guò)大時(shí),會(huì)造成熔料流動(dòng)過(guò)快,熔料從焊接部隊(duì)流出,減少焊頭形成所需的熔料凝固偏少,降低焊接強(qiáng)度。過(guò)大的歷力會(huì)造成摩擦力過(guò)大,造成焊件之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)減弱,給焊接機(jī)造成過(guò)大的負(fù)載,焊接困難。焊接壓力在尼龍66的超聲波焊接過(guò)程中,對(duì)焊接強(qiáng)度的影響很大。稍低的焊接壓力能使焊接產(chǎn)生較厚的熱影響區(qū),這會(huì)使更多的分子鏈、晶粒、纖維走向垂直于焊接界面,提高焊接強(qiáng)度,這些焊接接頭在0.66MPa的焊接壓力下,焊接強(qiáng)度能達(dá)到尼龍66的70%。焊接壓力需要與焊接時(shí)間相配合,這樣才能獲得較佳的焊接度。Matsuoka[27]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于玻纖維增強(qiáng)熱塑性塑料,保持焊接振幅一定時(shí),增加焊接壓力可以減少焊接時(shí)間。
5. 搭接長(zhǎng)度和固定位置
超聲波焊接時(shí)的搭接長(zhǎng)度和夾持固定位置也會(huì)影響焊接強(qiáng)度的大小。隨著單搭試驗(yàn)搭接長(zhǎng)度的提高會(huì)降低焊接的強(qiáng)度。當(dāng)搭接長(zhǎng)度增加,會(huì)造成焊接部位的應(yīng)力集中使強(qiáng)度下降。因此為了獲得最佳的焊接強(qiáng)度,需要設(shè)計(jì)較短的搭接長(zhǎng)度,并且要根據(jù)接頭的類型選擇恰當(dāng)?shù)慕咏娱L(zhǎng)度。在一般情況下,搭接長(zhǎng)度往往是固定不變的,為了滿足強(qiáng)度需要,搭接較短,焊接面積小,強(qiáng)度不夠;搭接較長(zhǎng),又會(huì)造成材料的浪費(fèi),設(shè)計(jì)好搭接長(zhǎng)度,改變焊接參數(shù)來(lái)獲得最佳的焊接強(qiáng)度。Qiu等發(fā)現(xiàn)焊件被固定的砧座上,夾持點(diǎn)與焊接部位的距離會(huì)影響焊接強(qiáng)度。較短的距離有利于增強(qiáng)摩擦產(chǎn)生熱量,就更能提高焊接的強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中,焊接件造形多樣,固定的夾持位置并不合適,一般要求在焊接過(guò)程焊件夾持穩(wěn)定即可。
6.超聲波熔接深度
在焊接過(guò)程中,隨著焊接位置材料的熔化,焊頭位置會(huì)持續(xù)下降,焊接結(jié)束熔化的材料會(huì)相互擴(kuò)散凝固,最后凝固材料的厚度稱為熔深,在一般情況下,可以控制焊接過(guò)程中焊頭的下降位移控制熔深的大小。焊接的強(qiáng)度與焊合部位的微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,也就與焊接過(guò)程中熔層的厚度、焊合部位的溫度關(guān)系密切。增加焊接壓力或焊接時(shí)間都會(huì)使焊接過(guò)程中材料熔化增加并且流動(dòng),從而增加熔深[29]。適當(dāng)?shù)娜凵羁梢允购附訌?qiáng)度增加,但是當(dāng)熔深過(guò)大時(shí),往往需要更多的焊接時(shí)間,這將造成的是材料的過(guò)焊,使強(qiáng)度下降。不論如何改變焊接壓力,時(shí)間,都需要證一個(gè)合適的熔深,這樣才能保證焊接達(dá)到較高的強(qiáng)度。
7. 超聲波導(dǎo)能筋的影響
在焊接件上設(shè)計(jì)導(dǎo)能筋,可以集種焊接能量,減小焊接時(shí)問(wèn),減少焊接部位的應(yīng)力集中,提高焊接的強(qiáng)度。常見的導(dǎo)能筋,有三角形,矩形和半圓形等形式。在超聲波焊接中常使用對(duì)接和搭接的方式進(jìn)行焊接,導(dǎo)能筋的設(shè)計(jì)也不相同。因?yàn)閷?dǎo)能筋往往集中了焊接時(shí)的壓力,受到更多的振動(dòng)應(yīng)力,在焊接的過(guò)程中,能量集中傳遞并集中至導(dǎo)能筋,在壓力作用下導(dǎo)能筋會(huì)首先升溫熔化并向兩側(cè)流動(dòng)展開[3o]。Liu等預(yù)測(cè)具有半圓形導(dǎo)能筋的焊接件在使用適合的焊接參數(shù)下進(jìn)行焊接可以最有最高的焊接強(qiáng)度[31]。Devine[32]建議90°頂角的三角形導(dǎo)能筋適用于大部分的非晶態(tài)塑料,而60°頂角的三角形導(dǎo)能適用于半晶型塑料,而且對(duì)于半晶型塑料來(lái)說(shuō),導(dǎo)能筋熔化的材料可能在它流向周圍的過(guò)程中就凝固,這可能會(huì)導(dǎo)致材料未焊透,所以導(dǎo)能筋對(duì)于搭接焊接并不必要。另外導(dǎo)能筋的加入,增加了焊接制作的難度,增加成本。
超聲波焊接工藝參數(shù)設(shè)定方法需要嚴(yán)格遵循上述理論，不可隨意調(diào)節(jié)，只有明白了其中的原理，使用超聲波焊接設(shè)備，才能變得游刃有余。
