（机械制造及其自动化专业论文）超声波塑料焊接机理和工艺试验研究.pdf

超，箝渡塑料焊接机理帮工艺试验婿究 摘要 超声波塑料焊接是一种经济、高效、环保的热塑性塑料连接新工艺，有极大的推广 _ 立用前景。对超声波塑料焊接已有的研究大都只是集中在提高焊接强度方面超声波塑 料焊接的焊接基础理论和工艺规范还比较欠缺，对焊接精度和超声波塑料精密焊接的研 究基本上还是空白，制约了超声波塑料焊接技术的发展。 本文着眼于超声波塑料焊接的焊接机理，旨在提高以焊接精度为主要指标的焊接质 量，采用试验和数值模拟相结合的方法，以硬p v c 材料为研究对象，进行了以下几个方 面的研究： 1 、详细研究了影响塑科超声波塑料焊接质量的各种因素；采用试验方法，找到了 超声波焊接硬p v c 塑料的最佳工艺参数组合；研究了工艺参数对焊接件熔化层厚度的影 响规律，为提高焊接质量提供了工艺上的实践指导。 2 、采用有限差分法和有限元的方法，建意了比较合适的超声波塑料焊接传热和热 力耦合的数值模拟汁算模型，模拟_ r 超声波塑料焊接的温度场、应力场和变形，： ；：通过 试验验证r 模拟结果。为研究焊接机理提供了新的方法，为提高超声波塑料焊接的焊接 精度提供了依据。 3 、从基本的搭接焊接形式出发，结合试验和数值模拟结果，深入分析了超声波塑 料焊接的材料熔化过程，对超声波塑料焊接的焊接机理提出了新的见解。 4 、研究了基本搭接焊接形式存在的弊病及其原因，明确了导能筋焊口结构形式的 积极作用。 5 、进一步分析了导能筋焊口结构形式及其作用，包括对导能筋焊口形式的焊接温 度场、应力场和变形进行了有限元模拟；通过试验和方差分析优化焊接p v c 塑料的导能 筋角度。 关键词：超声波塑料焊接：焊接机理：焊接质量：温度场；应力场；数值模拟；导麓筋 超声波塑料焊接机理和工艺试验研究 a b s t r a c t u i t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g1 sa ne c o n o m i c a la n de f f i c i e n tp l a s t i cb i n d i n gm e t h o d ，i th a s g r e a ta p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d , t od e v e l o pt h ew e l d i n gs t r e n g t hi st h ec e n t e ro f r e c e n tr e s e a r c h a n dh a v i n gg o ta c h i e v e m e n t s b u tt h ek n o w l e d g ea b o u tt h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cp l a s t i c w e l d i n g i sn o ta b u n d a n ta n d b a s i c a l l y , t h er e s e a r c ha b o u tu l t r a s o n i cp r e c i s ep l a s t i cw e l d i n g i s v a c a n ta l lt h a tr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to f t h i sn e w t e c h n i q u e f o c u s i n go n t h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n ga n do nt h ed e v e l o p m e n to ft h e w e l d i n gs t r e n g t h a n dw e l d i n gp r e c i s i o n ，u s i n gt h em e t h o do f e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n ， u s i n g t h er p v c m a t e r i a l ，t h i sp a p e rc a r r i e st h es t u d i e sa sf o t l o w ： i b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so f u l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g ，f i n d i n gt h eo p t i m a l f a c t o r st h a tf i tt ow e l dr p v ca n db ys t u d y i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a c t o r sa n dt h e m e l t i n gl a y e rt h i c k n e s s t h i sp a p e ro f f e r st h ep r a c t i c a li n s t r u c t i o n st o d e v e l o pt h ew e l d i n g q u a l i t y 2 b yu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，b u i l d i n gt h e c a l c u l a t i n g m o d e lo fs i m u l a t i o na n d s i m u l a t i n g t h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s s f i e l da n d d e f o r m a t i o no fu l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g ，t h i sp a p e r p r o v i d e st h et h e o r yf o rp r e c i s ew e l d i n g 3w i t ht h er e s u l to f e x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f l a y e r e dw e l d i n gt y p e ，t h i s p a p e ra n a l y s e st h em e l t i n gp r o c e s so fp l a s t i ca n d 百v e st h en e w v i e w so f u n d e r s t a n d i n gt h e m e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cp l a s t i c w e l d i n g 4t h i sp a p e r a n a l y s e st h ed i s a d v a n t a g e so fl a y e r e dw e l d i n ga n dg i v e st h em e a s u r e m e n t s t h a tc a nb eu s e dt or e s o l v et h e d i s a d v a n t a g e sa n ds h o w st h a tt h ee n e r g y o r i e n t e d - r i d g e w e l d i n gt y p ei st h eb e s ts t y l ef o ru l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g 5t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ee f f e c to f e n e r g y o r i e n t e d - r i d g ew e l d i n g t y p ea n ds i m u l a t e s t h e t e m p e r a t u r ef i e l d , s t r e s s f i e l da n dd e f o r m a t i o n ，a l s of i n d st h es u i t e d d e g r e e o f e n e r g y o r i e n t e d r i d g ef o rw e l d i n gr p v cb ye x p e r i m e n t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g ；m e c h a n i s mo fp l a s t i cw e l d i n g ； w e l d i n gq u a l i t y ；t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；e n e r g y o r i e n t e d - r i d g e 1 i 坦声波塑料焊接机理和工艺试验研究 1 1 引言 第一章绪论 随着塑料工业的发展，塑料已经成为许多领域必不可少的材料。以重量轻、摩擦阻 力小、极低的导热导电性能见长的塑料和复合材科在许多场合取代金属作为结构材料已 经成为趋势。在电气工业、建筑、航天航空、汽车、玩具、日用化工、医学、工业设备 等行业都广泛采用塑料和复合材料制成的零件或产品。比如汽车制造业中每辆汽车观在 平均要使用1 0 0 k g 以上的塑料，而且用量还在逐年增加；人造卫星和宇宙飞船中，塑料 材料占其总体结的一半；国外塑料在建筑领域中用量占塑料总产量的一半。如今，塑 料材料应用的普及程度己无与伦比，且已成为推动社会生产力发展的新颖材料。 由于大多数塑料制品都是模制品，其尺寸及结构复杂程度因模具的尺寸和结构所敝 而受到制约。特别是生产大型复杂的热塑性塑料零件，通常最经济有效的方法就是将注 塑出的多个零件连接在一起。因此出现了各种各样的塑料连接方法。传统的热塑性塑辩 连接方法，主要有外部加热焊接( 如电炉焊接、热板焊接、热气挤压焊接、高频焊接、 电阻注入焊接、感应焊接等) 、外加部件胶结连接，洼入焊接等1 2 1 。这些传统的方法有 很多弊病，如外部加热焊接，塑料件容易和加热源粘接在一起且会造成空气污染；注入 焊接需要加入导电材料；特别是胶粘固定方法，需经过表面打毛、涂胶、粘接、固化、 电烙铁烫平、修整等工序。全部采用手工操作，劳动强度大，工序多，生产效率低，质 量难以保证，而且胶粘剂的挥发成分污染环境，影响操作人员身体健康；采用螺钉、卡 环等机械连接强度不易达到要求且不能对连接表面质量有所要求3 1 。随着塑料产品在汽 车、电子、化工、医药、机械等行业的大量应用，用传统的塑料连接方法根本不能满足 外观、连接强度及连接后尺寸精度的要求，越来越不适应当今工业的大规模集成化自动 化生产及环保的要求。 为此，研究热塑性塑料件之闯的经济有效、先进、无污染的连接方法就成为非常紧 迫的事情。超声波塑料焊接正是适应塑料制品在各行业应用的飞速发展，适应当今工业 的大规模集成化自动化和环保的要求而发展起来的先进的热塑性塑料连接方法。 1 2 超声波塑料焊接的优点 超声波塑料焊接u l h a s o n i c p l a s t i cw e l d i n g ) 涉及声学、电子技术、计算机、计墓技 术、机械、高分子材料、自动控制等学科。它是多学科的交叉领域，是多学科成果的综 合应用【4 l 。超声波技术应用在塑料焊接上是超声波技术的个重大发展。t 超声波塑料焊 接的优点主要有1 2 l 1 6 ll t ! ( 1 ) 焊接时间短。大约为1 秒到几秒，加上机械作业时间在内不超1 0 秒。这样特别 适合自动化程度高、大批量生产的场合； ( 2 ) 无表面损坏，不会产生外观异常现象； 超声波塑料焊接机理和工艺试验研究 ( 3 ) 熔接部分以外的区域不发热： ( 4 ) 焊接前不需要任何前处理； ( 5 ) 焊接后能保证密封性； ( 6 ) 无需另行加工，能保证产品的一致性； ( 7 ) 操作简单。既能手工操作也能自动操作，是任何人都能做的简单作业： ( 8 ) 耗电省，工作场所基本无异味，对环境基本上无污染。 这些优点使得超声波塑料焊接工艺操作简单、安全可靠，焊接速度快，降低了产品 成本，提高了经济效益。同时还可以选用铆接、埋植、切割、成型、封口等方式进行焊 接，焊接形式多样能满足不同场合的要求。超声波塑料焊接的突出优点正好克服了传 统塑料连接的致命缺点，并且能够实现产品的大规模大批量生产，自动化控制。 1 3 超声波塑料焊接国内外研究状况 超声波塑料焊接是从超声波金属焊接发展起来的。5 0 年代发现的超声金属焊接，已 广泛用于集成电路引线焊接，近年来用于塑料金属复合管的焊接很有发展前途。由于 工艺上的突出优点，更为广泛应用的是热塑性塑料的焊接。焊接设备除传统的切向和纵 向振动外，还发展了扭转和多系统的复合振动。焊接方式由层叠焊( 搭接焊接) 发展到 端面对接焊，功率容量达5 0 k w 。我国于5 0 年代开始大功率超声的研究。以研究超声加 工、清洗、焊接、粉碎和乳化等应用为先导，进而研究磁致伸缩换能器，压电换能器和 簧片哨。6 0 年代以后集中研究夹心式压电换能器，用等效网络建立一维理论。我国在变 幅杆方面的研究处于世界前列。对于超声焊接，5 0 年代开始进行超声金属材料焊接应用 研究，包括点焊，缝焊和集成电路引线焊接。近十年来主要生产超声塑料焊接设备，已 得到广泛应用i s l 。 目前对超声波塑料焊接的研究主要集中在对功率超声、高分子材料、焊接机及其组 件、焊接过程控制模式、焊接工艺参数、焊接过程中塑料分子运动等方面。如国内的哈 尔滨工业大学，针对超声波焊接大批量生产中，由于焊接工艺参数波动，接头质量的一 致性差的问题，提出了超声能蹙模式控制技术，对保证产品质量的稳定性具有重要意义 “1 。因为目前的超声波焊接机都采用时间控制模式，这种模式首先设定超声时间，超声 时间结束，无论焊接好坏均停止超声，即以焊接时间作为质量控制的关键参数。时间控 制模式的焊接质量很不稳定。实际上超声波塑料焊接的质量与输入到焊接件中的能量有 直接关系。如果对焊接过程输入到焊接件中的能量直接控制，形成良好接头的能量达到 后停机，则可大大提高焊接质量的稳定性【8 】。随之，超声波焊接过程的电参数测量“1 和 超声波焊接机的控制技术n 0 】i 就成为研究内容。哈尔滨工业大学还提出了焊接过程的 变压力控制技术n 2 1 ，实现整个焊接过程中压力的最佳控制，在辉接熔化过程及保压凝固 的不同阶段给出合适的焊接压力，从而提高了接头的组织性能和外观质量。在塑料超声 焊接机理方面建立了描述焊接过程的接头熔化状态的物理模型，为焊接过程的自适应控 制奠定了基础。 在超声波塑料焊接的机理方面，哈尔滨工业大学也进行了比较多的研究。从塑料分 子的角度分析研究了焊接接头的熔化状态“”、熔化膜的厚度计算模型“4 1 以及影响接头 趋声波塑料博接机垤享【；工艺试验研究 质量的因素“知。并对焊接聚乙烯塑料的温度场进行了模拟和检测“”，为超声波塑料焊 接的机理做了大量的基础工作。 国内的上海交通大学进行了塑料超声波焊枫声学系统设计及质量检测方法研究“”， 还有科研人员进行了变幅杆振动能量传输性能的研究“”“”，推动了超声波塑料焊接技 术的发展。 国外对超声波塑料焊接主要集中在日本和美国。日本提出在超声波塑料焊接中采用 高频振动系统”娃”和扭转振动系统”2 1 和双频振动系统1 2 3 1 这样能够提高焊接质量： 美国研究人员通过检测散射在空气的超声波信息来判断焊接质量”，通过观察焊接过程 中塑料分子的运动来研究超声波塑料焊接机理瞄i ；还在超声波焊接的控制方面进行了不 少的研究2 6 “2 7 1 1 2 8 1 美国和瑞士在超声波焊接设备的技术上领先其它国家比。 对超声波塑料焊接应用方面的研究主要在医药、汽车、建筑和包装行业”b ”b n 。 除了般的两塑料件的焊接外，还研究采用超声波塑料焊接进行铆接、埋植、切割、成 型、封口等。在塑料模具设计制造过程中使用焊接工艺更能体现出该工艺的优越性，将 大件的产品分成几个零件，然后通过焊接工艺组合。这样既简化了模具制造工艺，又降 低了模具制造费用和周期，又利于高效率豹自动化生产。还研究把超声波塑料焊接应用 在复合材料的焊接上t 3 3 1 3 4 1 3 5 1 。 在超声波焊接工艺方面的研究，主要集中于塑料件焊口设计、焊头设计及焊接工艺 参数的研究。对于一般塑料零件的对接焊接，对接面要有一能量导向部分以使焊接质量 达到最佳状态，但对能量导向部分的机理和作用还不是很清楚。超声波塑料焊接时，焊 接质量主要受到超声时间、超声压力、保持压力时间的影响，同时还受到环境温度、振 幅、材料、焊件形状等因素的影响。因此要研究各种影响因素对焊接质量的影响程度， 以及提高焊接质量所要采取的措施。这方面的研究主要由工厂和生产超声波设备的公司 进行，如上海必能信超声有限公司等。 本文主要针对目前在焊接基础理论和工艺规范上的欠缺以及在超声波精密焊接研究 上的空白，通过试验和数值模拟的方法来对超声波塑料焊接的机理傲一定的探讨，研究 提高焊接质量实现精密焊接的措施和方法。 1 4 超声波塑料焊接原理和过程 超声波塑料焊机主要由主电路、声学系统、气动加压系统、自动控制系统、机械部 分构成。其中声学系统是最重要的部分。声学系统有换能器、调幅器、焊接头组成。超 声波塑料焊接的声学系统结构图见图1 1 。 堕妻垫望壁堡垡塑矍塑墨茎鎏望竺壅一一 逆变器 换能器 变幅器 焊接头 焊接件 工作台 5 0 1 1 z 工频 弧乳高额 il h li 订 ii ii 图1 1 超声波塑料焊接帆系统结构示意图 f l g1 1 t h es k e t c h m a p o f u l 订a s o n i c p l a s t i c w e l d i n g m a c h i n e 逆变器将5 0 h z 工频交流电转换为2 0 k h z 高频交流电并提供给换能器。换能器将高 频交流电能转化为高频振动能。调幅器作用是调整振动的幅度，焊头将高频振动能传递 到焊接件间的焊接面上，使焊接面高频振动。超声波塑料焊接的基本原理是：向两个焊 接面对接好的塑料件施加一定的静压力。在保持一定静压力的同时将高频振动能传递到 焊接面上，在这种振动作用下焊接面上产生瞬间高温使焊接面间形成熔化层，随后停止 振动并保持静压力一段时间使熔化层凝固，从而实现焊接面的牢固结合p “。由于焊接时 振动频率高于2 0 k h z ，这个频率高于人耳的听觉范围，所以称之为超声波焊接。超声波 的焊接周期一般为1 秒到数移取决予焊接件的大小和连接面积。其中保压时间仅为 o 2 5 1 秒。图1 2 所示为典型的焊接循环周蝌”j 。 系统校核 焊具f 降 建立压力 焊接时闻 保压时间 焊具升起 塑料件回复 取出装配件 鞭 然、 缪渊瓣黼 越声1皮触嚣 点i + + + 惑 蒸瓣 口口口口口口1 0010 203040 5o607080910i 112l3 圈i - 2 超声波焊接循环周期 f i g 1 - 2t h ew e l d i n gc y c l eo f u l 血- a s o n i cp l a s t i cw e l d i n g 4 超声渡塑料焊接机理和【岂试验研究 1 5 本文的研究任务和研究方法 目前对功率超声、焊接高分子材料、焊接设备、焊接过程控制模式、焊接工艺参数、 焊接机理等方面研究主要集中在提高塑料焊接强度上，还需要进一步的研究。超声波塑 料焊接的基础理论和工艺规范还是比较欠缺。同时，目前围绕超声波塑料精密焊接的研 究基本上还是空白。不研究焊接精度问题，就不能真正进入工业化应用。超声波塑料精 密焊接指塑料件经超声波焊接后不仅要达到一定强度要求，而且其尺寸、几何形状也要 达到一定的精度水平。目前超声波塑料焊接的精度水平还很低，严重影响了组焊件的装 配精度以及产品的外观，也直接影响了生产效率及产品的寿命，不能适应当今工业发展 的要求。焊接质量存在的问题，根本上是对焊接机理的认识不够的问题，有必要对焊接 机理做深入、全面、透彻的研究。 因此，针对目前对超声波塑料焊接研究的不足，本文着眼于超声波塑料焊接的机理， 以提高超声波塑料焊接的焊接质量( 焊接强度和焊接精度) 为目的以提高超声波塑料 焊接精度为重点，采用试验的方法，对影响焊接强度和焊接层厚度的因素进行分析；通 过数值模拟技术分析超声波塑料焊接过程中的温度场及焊接过程的应力和变形情况，根 据分析的结果找出焊接应力和变形的规律：提出超声波塑料精密焊接的焊口结构形式和 工艺参数优化组合；根据试验和数值模拟的结果，对超声波塑料焊接的过程和机理做进 一步分析和归纳总结。具体的讲，要进行以下的工作： l 、研究影响超声波塑料焊接的因素及其对焊接质量的影响规律。 影响超声波塑料焊接的因素很多，包括焊接机方面的因素如焊接时间，焊接压力， 保持压力时间等，这些因素可以通过调节焊接机得以实现；还包括焊接材料的物性参数 如弹性模量，比热等；还包括环境的因素，如环境温度等。如果掌握了这些因素对焊接 质量的影响就可以通过调节焊接工艺参数来补偿，控制环境来降低影响。本文通过试验， 并对试验结果进行方差分析，找到对焊接强度和焊接层厚度影响显著的焊接工艺参数。 这样在焊接过程中出现的过焊、欠焊等焊接缺陷时应该优先考虑调节影响焊接质量最显 著的因素。 2 、研究影响焊接层厚度的因素及其影响规律。 焊接层厚度是影响焊接质量和焊接精度的重要因素。对焊接层的影响因素必然影响 焊接强度和焊接质量。本文通过试验和焊接后塑料工件的显徽照片分析影响焊接层厚度 的因素。这样可以通过调节焊接工艺参数来控制焊接层的厚度，以此来提高焊接强度和 焊接精度。 3 、研究焊接过程中的温度场。 焊接过程中的温度场决定了焊接后的残余应力和变形，还决定了塑料熔化层的厚度， 因此焊接过程中的温度场的变化规律对焊接强度和焊接精度有很大影响，也是研究焊接 过程机理及其它参量场的基础。掌握超声波塑料焊接温度场的变化规律。是提高焊接强 度和焊接质量的重要手段。但由于超声波焊接过程中的复杂性，单凭试验方法很难或者 无法得到焊接过程中参量场的变化规律。因此采用数值模拟的方法来模拟焊接过程的温 度场必要。 目前，加工过程的物理模拟、数值模拟和计算机模拟已经发展成为重要的研究方向 超声波塑料焊接机理和工艺试验研究 和前沿课题之一。开展对焊接过程温度场、应力场和变形的模拟，对优化焊接工艺参数 和焊接力学参数，提高焊接质量和焊接精度，改进焊接设备，对发展新的焊接技术均有 非常重要的作用。在超声波塑料焊接过程中，材料的焊接和变形过程是一个非线性和几 何非线性问题。焊接过程中伴随有温度和受力的耦合物理现象，对于这样的复杂问题， 解析解一般是没有的，只能采用数值解法。数值方法对焊接过程中的物理参量进行模拟 与仿真是一种非常有效的方法。 本文采用有限差分法和有限元法，对塑料焊接的温度场进行数值模拟，并通过试验 材料在不同温度下的颜色变化来间接验证了数值模拟的结果。温度场的数值模拟为进一 步应力场和变形的模拟打下了基础。 4 、研究焊接后的应力场和和变形 焊接后的应力场，特别是应力集中，是影响焊接强度的重要因素。超声波在高温、 高压下完成，高温和高压引起塑料工件的变形，这样就给保证焊接精度造成很大的难度。 只有掌握塑料在超声波焊接过程中的应力和变形规律，才能针对应力分布区和变形分布 区采取有效的措施弥补变形，减少应力集中，才能实现精密超声波塑料焊接。本文通过 有限元的方法对焊接应力场和变形进行数值模拟，利用试验的结果对模拟结果验证。 5 、分析和总结超声波塑料焊接的过程和机理。 超声波波焊接的过程和机理一直是超声波塑料焊接研究的热点，但是由于塑料焊接 的复杂性，多年的研究仍然没有突破的进展。本文试图通过试验和数值模拟，对超声波 焊接过程中的一些现象做出解释，弥补焊接机理方面的研究的不足。 6 、针对数值模拟和试验的结果，提高焊接质量实现精密焊接，提出避免焊接时出现 弊病的改进措施。 焊接试验和数值模拟郝表明，采用简单搭接方式焊接塑料片时，焊接中容易出现过 焊、熔融塑料在压力作用下流动受阻出现应力集中的现象，本文提出改进焊接接头形 式的措施采用导能筋的焊接形式，并总结了导能筋的作用。通过试验找到最合适的 焊接p v c 塑料的导能筋角度。通过数值模拟也表明导能筋的焊接形式能够避免过焊和应 力集中。 本文的研究内容和方法可以图1 3 来表示： 6 超声波塑料焊接机理椰工艺试验研究 数值模拟 j 、一一i k 一一 ，专；二堡墨质量曩( 焊接机理、) 焊接强度n 焊接精度jl 一、 ( 7 、 孓一7 7 乙j ? 一! 三竺竺 一之：了= = = 。 芋试验 影响因素f 1 潞化层厚度 ， 图1 - 3 本文的研究内容和研究方法示意图 1 6 本文的研究意义 目前对超声波塑料焊接已有的研究如焊接机的控制和改进、超声波传递模式等，还 不能让我们充分的认识超声波塑料焊接的机理，还需要针对目前超声波焊接精度有待提 高的现实情况进行焊接影响因素和焊接温度场应力场方面的基础研究。这样才能真正认 识超声波塑料焊接的机理，才能充分发挥超声波塑料焊接的优势，推动超声波技术在焊 接上的应用。本文从优化工艺参数的角度出发来提高焊接强度和焊接精度，为超声波塑 料焊接在实际生产中的广泛应用提供了一种省时，经济的方法。采用数值模拟的方法对 超声波塑料焊接的温度场、应力场和变形进行模拟，针对模拟韵结果来调整焊接参数以 提高焊接质量和焊接精度，为超声波塑料焊接真正应用在大规模、自动化生产中提供研 究方法、理论依据和实践指导。同时本文所作的工作能够加强我们对超声波塑料焊接机 理的更深的认识。 一：l i l 一 超声波塑料焊接帆理和工兰试验研宄 2 1 概述 第二章超声波塑料焊接的影响因素 超声波塑料焊接的评价指标有两个：焊接强度和焊接精度。焊接精度：e 要满足焊接 件焊后的几何精度和表观质量，如尺寸精度、形状精度及连接件外观表面的一致性。影 响焊接强度和精度的因素有很多，可以分为三大类：一类是焊接设备可以调节的影响因 素；另一类是被焊接材料本身物理和几何参数的影响：第三类是环境的因素。对焊接影 响因素的研究有助于我们掌握焊接的规律，为试验和数值模拟提供充分可靠的资料，有 利于提高焊接强度和焊接精度。 2 1 1 焊接设备可以调节的影响因素 焊接发备可以调节的影响因素主要有咀下几个因素： 1 、振幅 声学系统输出的机械振幅是塑料在超声波焊接时首要选择的工艺参数t 2 。从塑料升 温角度来看，由于其物理性质不同，塑料随焊接振幅的发热率和温升率不同。每种材料 都有一达到熔化的最小振幅。如果振幅不够，塑料很难达到使之熔融的温度。因此塑料 的焊接强度与振幅也有密切的关系。表2 1 给出了几种常用的热塑性塑料超声波焊所需 的振幅范围。 表2 1 凡种常用塑料超声波焊所需振幅 t a b l e2 - lt h eu l t r a s o n i ca m p l i t u d eo f v i b r a t i a t s e df o rs e v e r a lp l a s t i c s i 材料 所需振幅( p m ) 聚苯乙烯 1 5 3 0 a b s2 0 3 0 有机玻璃 2 0 3 5 聚氯乙稀 2 0 4 0 聚乙烯2 5 6 0 聚丙烯 3 0 6 0 超声波塑料焊接所需的振幅由变幅杆的形状大小和材料来调整。欲保证焊接的成功 进行，焊接振幅就必须随焊接材料种类而调整。另外焊接形式不同所需振幅也不同。如 嵌插和铆接所需振幅较大，而平面焊所需振幅较小。即焊接机输出的振幅要随焊接件的 种类和焊接形式而调整。 2 、超声时间 超声时间指超声触发开始到超声结束的时问。超声时间越长，传递到工件上的能量 就愈多，工件升温就越高，熔化塑料就会越多。但是过长的焊接时间，会使工件表面温 升过高，产生过焊。还会产生飞边，破坏零件表面，使工件上远离焊接区的非焊接表面 毫 超声波塑料焊接机理和： 艺试验研亢 产生“粘连”：超声时间过短，塑料不能熔化或熔化量过少不能使工件可靠焊接。 3 、保压时间 保压时间指施加超声已经停止，让被焊接件在压力作用f 相互紧贴令其固化所持续 的时间。保压的目的是使被焊件在一定的压力下，互相紧贴，这样能使两焊接件的接触 面上的融化材料互相参透，冷却固化，从而两工件能够很好的焊接在一起。 4 、触发压力 触发压力是指在超声波能量传递给工件之前，焊头旖于工件上的最大预压力。焊头 下降到与工件接触后，在工件上建立起压力，使结合面紧密接触。达到触发压力时，超 声波焊接机开始产生超声波。如果触发压力过小，接触面不能紧密接触，超声波就不能 使得工件接触表面融化，或者只能是接触部分发生融化，而非接触部分没有融化。这样 就影响丁焊接的质量。 j 、焊接压力 一般来说，应对工件施以足够的压力，使整个结合表面都有较好的接触，压力过低， 则会延长焊接时间，这样会使使工件上产生焊痕或质量不佳：压力过高，会使工件焊接 面破裂，使界面结合欠佳，影响焊接强度和焊接质量。 以上的几个因素都可以通过焊接机来进行调整。其中，超声时间、超声压力、保持 压力时间被认为是影响焊接强度和质量的最主要的因素。究竟这三个因素对焊接强度的 影响程度如何，本章第三节中进行了详细的分析。 2 1 2 材料本身的影响因素 1 、材料对超声波的衰减特性“。 有些材料刚性小，传递超声波的能力弱，使振幅衰减很快如尼龙聚丙烯、醋酸纤维、 聚乙烯和聚丙烯等。因此焊接时，焊头应离焊合面近。通常把在焊接焊点距离焊头小于 6 衄的区域上的焊接叫近场焊接。焊接头距离焊接点大子6m 的焊接叫做远场焊接。对 于软质材料必须采用近场焊接才能达到理想的焊接效果。远场焊接时，超声能量通过材 料传递到远离焊头端面的焊合面处，使结合面处的材料发热融化相互渗透、凝固而实现 牢固结合。近场焊接要求爆头的形状同焊合界面的形状相适应。远焊要求焊头的端面输 出频率稳定。 2 、焊接材料物性参数随温度变化的影响 材料的热物理参数如比热容、导热系数、线膨胀系数、熟扩散系数( 导温系数) 、 弹性模量、粘度等都随温度的变化而变化“1 。这些参数随温度的变化必然影响塑料焊 接时焊接区的温度、应力和变形，从而影响焊接后的强度和焊接质量。以聚氯乙烯( p v c ) 为例，表2 - 2 至表2 - 6 给出其主要热物理性能表。 超声波塑料焊接机理和工艺试验研究 表2 2p v c 的比热容( c ，) 随温度变化表表2 - 3 p v c 的导热系数( ) 随温度变化表 t a b l e2 - 2 t h ev a l u e so fs p e c i f i c h e a t o f p v ct a b l e2 - 3 t h ev a l u e s o f t r a n s f e r h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t o f p v c 温度( )g k 5 ( k g k ) 一5 ：i0 7 2 5 3 ：；0 7 7 0 20 8 6 5 2 30 9 6 0 8 71 4 7 5 l 0 7l 5 6 9 1 4 71 7 4 l 温度( ) w ( i l l k ) 卜5 3 o 1 5 6 卜2 3 0 1 6 3 30 1 6 7 2 70 1 7 0 4 70 1 7 l 6 70 【7 2 从表2 2 、表2 3 ，看出，p v c 的比热容和导热系数随温度的升高而缓慢地提高。 当温度升高到p v c 塑料的玻璃化温度( l ：7 8 8 7 度) 时，由于p v c 大分子链中链段 运动得以进行，比热容和导热系数随温度升高丽较快的增加。但总的柬说，比热容和导 热系数随温度变化的幅度不大。 表2 - 4 p v c 的热扩散系数( a ) 随温度变化表2 - 5 p v c 的弹性模量( e ) 随温度变化 t a b l e2 - 4t h ev a l u e so f t h e r m a lt a b l e2 - 5m ev a l u e so f e l a s t i cm o d u l u s d i f f u s i o nc o e f f i c i e n to f p v c 温度( )a ( 1 0 1 时s ) - 5 30 1 5 1 3 30 ，1 4 8 - 3o 1 3 9 00 1 3 8 l 2 7o 1 2 6 6 7o 1 1 3 f 1 0 00 0 8 3 温度( ) e ( m p a ) l 2 02 ，1 8 1 0 。 l 6 01 3 x 1 0 6 8 00 8 6 1 0 5 1 0 07 2 1 0 3 1 4 04 2 2 1 0 3 1 8 08 3 1 1 0 2 由表2 - 4 、表2 - 5 可以看出：p v c 的热扩散系数、弹性模量随温度的升高而降低， 且在t 。温度以后降低的幅值更大更快，弹性模量的降低更为明显。 总的来说，p v c 的比热容和导热系数随温度的升高丽缓慢升高，热焓随温度的升高 快速升高：热扩散系数和弹性模置随温度的升高而降低，弹性模量随温度的变化更剧烈。 当温度在p v c 的玻璃化温度( t g ：8 0 8 5 x 2 ) 之上时，以上参数变化更明显。这样就需 要解决以下几个问题： ( d 在塑料焊接过程中，这些参数的变化对塑料的温度有没有影响? ( 2 ) 如果有影响的话，影响程度如何? ( 3 ) 在焊接的温度场和应力的数值模拟中对这些隧温度变化的参数如何处理? 对以上问题的回答将在第六节中进行分析。 3 、焊接面连接形状的影响 焊接件连接部分的形状对焊接质量和焊接强度都有很大的影响。比如常用的两焊接 超声波塑料焊接机理和工艺试验研究 件平面接触的搭接焊接方式，由于两工件在压力作用下紧密接触，融化材料在压力作用 下要流延，但是有没有流延的空问，这样在融化材料不能流延的地方形成了应力集中区 域，这个集中应力非常大。通过有限元分析：表面施加0 1 5 m p a 的超声压力，在温度 和超声压力的共同作用下使得在焊接边缘不能变形的区域热应力值高达5 m p a ( 本文第 四章将详细分析) 。应力集中会严重影响焊接强度同时会影响焊接后的变形。另外，简 单搭接焊接时如果温度过高，导致焊接材料分解、脆化，则可能在压力作用下，脆化的 材料刺破本体，导致裂纹，影响焊接质量。在第六章中，作者对p v c 材料超声波焊接的 试验研究，发现采用9 0 。导能筋的焊口形式比较合理，焊接强度和焊接质量都能够保证。 2 。2 试验方法和分析方法啪m 8 m 9 。1 安排试验和处理试验数据需要进行科学分析和数学处理，以便找出问题的主要矛盾 及其它们之间的相互关系，明确问题的内在规律，从丽寻求问题的解决方法。本节的试 验采用正交试验方法来安排试验，对试验数据处理采用极差和方差分析。以下简要介绍 所采用的试验方法和分析方法。 正交试验是解决多因素试验问题的有效方法。它能够用较少的试验次数反映比较全 面的情况。通过对正交试验结果的分析和计算，可以解决以下几个问题 3 7 1 1 l 、分清各因素对指标影响的主次顺序，即分清哪个是主要因素，哪个是次要因素： 2 、找出优化的方案，即所考察的每个因素各取什么水平才能达到试验指标的要求。 3 、分析因素与指标的关系，即当因素变化时，指标是怎样变化的? 找出指标随因 素变化的规律和趋势，用于指出进一步的试验方向。 级差( 用r 表示) 是一组数据中的最大值与最小值之差。表示一组数据的最大离 散程度，它是统计量中最简单的一个特征参数。极差的大小反映了实验中各因素作用的 大小，极差大表明该因素对指标的影响大，通常为主要因素；极差小表明该因素对指标 的影响小，通常为次要因素。这样可以通过极差来初步判断因素对指标的影响主次。 方差分析是把试验观测数据分解为各个影响因索的波动和误差波动，然后将它们的 平均波动进行比较。其中心点是把试验观测数据总的波动分解为反映因素水平变化引起 的波动和反映试验误差引起的波动两部分。前者是由于因素本身的离散性引起的方差， 简称产品方差，它是产品所固有的；后者是由于试验误差( 残羞) 雨引起的方差，简称 试验方差，它是由试验中的随机因素。方差分析即把观测数据的总的偏差平方和( s t ) 分解为反映必然性的各个因素的偏差平方和( s a ，s b ，s n ) 与反映偶然性的误差平 方和( s 。) ，并计算比较它们的平均偏差平方和，以找出对试验观测数据起决定性影响 的因素( 即显著性和高度显著性因素) 作为定量分析的翔断的依据。进行方差分析需要 明确几个概念，下面简要进行介绍： 试验考察指标：在实验设计和数据处理中，通常根据试验和数据处理的目的而选定 用来考察或衡量其效果的特性值。 试验因素：对试验考察指标产生影响的原因或要素。 因素水平：试验因素在试验中所处的状态、条件的变化可能会引起试验指标的变化， 把因素变化的各种状态和条件称为因素的水平。在试验中需要考虑某因素的几种状态 超卉渡塑科焊接帆理和工艺试验研究 对，则称为因素为几水平因素。因素的水平应能够直接控制并且水平的变化麓直接影 响实验考察指标有不同程度的变化。 偏差：也称离差。偏差在数据统计中般有两种，一种是与期望值“之阐的偏差 另一种是与平均值；之间的偏差。在试验设计和数据处理中往往不知道期望值，而容易 知道平均值，所以常常把与平均值之间的偏差作统计量进步的分析研究。很显然，与 平均值之间的偏差的总和为零。即： ( 一；) + ( j ：；) + k + ( 为= ( 五一；) = 0 ( j = 1 , 2 ，k ，n ) ( 2 一1 ) 偏差s f 方和：由式( 2 1 ) 可知，一组数据与其平均值的各个偏差值有正有负或零， 各偏差值的总和为零，所以偏差和不能表明这组数据的任何特征。鲡果以偏差平方和作 为这组数据的一个统计量，则偏差平方和够表征这组数据的分散程度，以s 表示。 s 2 = ( x 一j ) 2 + ( x ：一j ) 2 + a ( 一j ) 2 = ( 五一；) 2 ( f = l ，2 ，人，n ) ( 2 - 2 ) i l i 自由度：独立数据的个数。如有n 个观察值，与平均值；的偏差平方和的自由度应 该为n 一1 个。如果一个平方和是由几部分的平方和组成则总的自由度等于各部分自 由度之和。 方差：也称平均偏差平方和，它表示单位自由度的偏差大小，即偏差平方和s 2 与 自由度f 的比值v ： 矿：善( 2 3 ) 均方菱：也称标准偏差。由方羞v 的计算式可知，方差v 的璧纲为观察数据x i 的 量纲的平方，为了与原特性值的量纲相一致，可采用方差v 的平方根矿作为一组数据 离散程度的特征参数，邸： 面= ；丽 f 。) = n 。若由样本值算得的f f 。时，则认为原假 设h 。不成立，朗认为条件( 水平) 的改变对指标有显著影响。 2 3 实验材料、焊接形式和焊接设备 本文采用的试验材料是硬p v c ( 聚氯乙烯) 塑料1 1 1 5 i 。选用p v c 材料是从以下几个 方面考虑的： 1 、聚氯乙稀塑料制品具有质量轻、强度高、耐化学腐蚀性好、价格低廉等优点。 广泛用于农业、化工、建筑、电子、轻工、机械镲各个部门试验选材容易，加工方便； 2 、采用的焊接机是上海必能焦超声有限公司生产的s 时 - l 型超声波塑料焊接机。 其输出振幅为2 0 u m 。正好符合p v c 的超声波焊接所需振幅。 3 、从p v c 的热加工性能考虑。工业用聚氯乙稀的玻璃化温度在8 0 8 5 范围，超 过玻璃化温度( t i ) 就开始软化，1 7 0 以上呈熔融状态，1 3 0 开始分解，释放出氯化 氢，趿氯化氡由自动催化作用，使分解加剧，当温度超过1 8 0 、2 剥快速分解，树脂变色， 性能变坏。在其分l 簪过程中，树脂逐渐由白色一粉红色一浅黄色一褐色一红棕色一红黑 色一黑色不断变化在高温瞬态变化的超声波塑瓣焊接过程，焊接温度不容易测量，可 以通过p v c 塑料在不同温度下的颜色变化来大致判断焊接温度。 超声波塑料焊接的焊接形式主要有简单搭接形式、对接形式和角接形式等。简单搭 接形式是基本的焊接形式，别的焊接形式都可以认为是简单焊接形式的变化。所以本文 超声波塑料焊接机理和工艺试验研究 研究针对简单焊接形式进行研究。 本文采用的超声波塑料焊接设备是上海必能信超声公司生产豹s b - h - l 型超声波塑 料焊接机。它的技术参数见表2 - 6 ： 表2 - 6 超声波塑料焊接机工作参数表 t a b l e2 - 6w o r k i n g p a r a m e t e r so f u l t r a s o n i cp l a s t i cd e v i c e 工作频率 2 0 k 王z 最大输出功率 9 0 0 、v 焊接时间0 1 5 s 电源2 2 0 v5 0 h z1 2 0 0 w 重量 i i k g 2 4 最优工艺参数组合 最优工艺参数，即使焊接质量最好时的工艺参数。最优工艺参数对实际焊接具有指 导作用，对提高焊接强度和焊接精度具有决定性作用。根据本章第一节对超声波塑料焊 接影响因素的分析，可以调节的影响因素主要是焊接机带来的参数，最主要的是振幅、 超声时间、超声压力和保压时间这四个因素，当变幅杼确定时，振幅就是固定傻。实际 焊接时，需要对焊接工艺参数进行不断的调整，最终才能得到使焊接质量最好的工艺条 件。这样要作大量的试验，既浪费了材料又花费了时间，有可能最终得到的焊接工艺参