超声波焊接技术.ppt

最常见的物理现象 打铁 金属物在反复捶打后 会变热 变软 原理 物体内部分子在捶打作用下 运动或者振动 并导致其温度上升 物理学对热能的定义 物体内部分子不规则运动时放出的能量 理论上 只有在0摄氏度下 分子运动才会停止 所以 实际上 任何物质内的分子都是在不断运动着的 其内部分子运动的数量决定了其温度 分子运动越多 物体也就越热 使用超声装配联接的工艺方式就是和热能相关的 热焊接和热成型的原理都是运用了以上的这个原理 区别在于其实施的方式 超声波 超过人耳听觉频率极限的一种机械波 超声波焊接原理 通过高频率的机械振动波使焊件相对表面快速摩擦产生高热 在一定的接触时间 焊接 冷却时间 固化 和辅助压力的作用下使焊接件熔合在一起 超声波焊接原理 超声波焊接全过程 两个热塑性元件接合面被放置在一起 放置在固定治具中 钛或铝合金制作的焊头接触于上面的塑料件 施加可控压力于焊头上 使两个零件夹紧在一起 焊头垂直振动 对于预先设定的时间称之为焊接时间 通过详细的结构设计 能够将高频振动传递到两工件的结合面 保压时间 就是在施加了夹紧力并让塑料件熔化后冷却并固化而预先设置的时间 一旦塑料件固化了 那么夹紧力就可以去除 焊头也可以撤回 两个工件被结合在一起 作为整体从固定治具中取出 超声波技术运用的优点 1 快 环保 有效2 消耗极小的能量 生产出牢固的联结方式3 重复操作性好4 无需溶剂 添加剂 化学催化剂或者其他的热能5 设备投入相对低 产能高 使用寿命长在汽车 医疗 电子 电气 玩具 纺织 日用品 包装工业等领域都有广泛的使用 超声波设备元件及其功能 完整的一个系统就是由以上四个部分加工件以及固定治具一起组成 最基本的超声波设备其组成部分 发电器 将电源转换为需要的频率电能 虽然使用的操作频率各不相同 但是一般用于工业生产的频率普遍在15 20 30 40KHz 且为了再简化 一般提供给客户的设备手册上标定的频率都是20KHz 如无特别标注 换能器 调幅器 焊头 由发电器产生的高频电能通过电缆到换能器 将其转换成垂直的 低振幅的机械运动 振动 随后这个振动将被传递到调幅器中 用于增加或者减少振幅 振幅取决于材料 设备的类型 工作的方式 所以说改变振幅适应加工工件是非常必要的 一般有3 1 2 1 0 5 1增加或者减少振幅规格的调幅器 振幅将传递到具有特定形状和尺寸的焊头 以此将其传递到工件上 焊头的形状也会增加振幅 原理图 发电器提供高频电能给换能器 换能器又将其转换为超声波机械振动 调幅器调整焊头和换能器之间振幅 焊头将其传递给贴合的工件 运用超声波技术的系统种类 手持型 具有更高的实用性 压床型 更精准的控制性 转换型 便捷的转换装配型 转盘型 高生产率 集合型 具有更高的生产性 可同时对多个装配体或者一个装配体中多个位置进行加工 超声波焊接中物料的选择及其熔接特性 通常不同材质的塑胶原料是较难互相熔接 熔点不同 化学结构不同 热塑性塑料的可焊性 能量转化 能量耗散 自黏合和恢复 材料本身的性能决定了其传声效果 材料本身的性能决定了机械能转换热能的能力 材料本身的性能决定了其熔融面自黏结的速度和程度 超声波焊接中物料的选择及其熔接特性 填料 玻璃纤维 矿物粉 脱模剂 可焊性影响大 填料对所选热塑性塑料超生波可焊性影响的一般原则 具体填料对具体聚合物可焊性的影响只能通过试验确定 回料 发泡剂 色粉 润滑剂 防火剂 超声波焊接中物料的选择及其熔接特性 对吸湿性树脂而言 含水量可能会造成问题 焊接受潮的零件时 水气泡可能在交接处产生泡沫现象 导致外观及粘合强度不良 含水量 脱模剂 直接喷于模穴表面的脱模剂会阻碍热的产生及熔融 然而 可印刷 可上漆等级的脱模剂不会造成妨碍 因此无须清除 染料 大部份染料不影响焊接性 但部份油基染色剂则会降低焊接强度 阻燃剂添加物 会大幅降低聚合物的焊接性 超声波焊接中物料的选择及其熔接特性 近场熔接是指熔接面距焊头接触面在1 4英寸 6 35mm 以内 远场熔接是指熔接面距焊头接触面在1 4英寸 6 35mm 以外 超声波焊接中物料的选择及其熔接特性 工件接合面的设计 接合面的设计是实现工件间结合性好坏的关键 工件材料 结合面的几何形状 熔接要求 接合面的设计种类有很多种 都各有其优点 接合面的设计基本三要素 统一接触面 最初小的接触区域 对准 同一结合平面 接合处紧密相接 建立在两个接合面间的最先接触的区域 保证接合面的接触不偏移 需要使用限位槽 定位销 等对准接合面 工件接合面的设计 能量聚焦器 焊件中沿焊线的一个小三角形凸台超声波能量传递到工件上聚焦在三角形的焊线上 使其迅速熔化 分子在接合面件流动 并固化 本身不提供对准途径 也不提供防止溢料的设计要求 优点 能耗低焊件划痕少循环周期短 缺点 某些材料的焊接强度有限存在溢料 适合无定型聚合物 易于达到一定的密封性 适合半结晶型聚合物 工件接合面的设计 能量聚焦器 能量聚焦型 级式结合 优点 得到一个十分坚固及不易察觉之接合面 缺点 存在溢料 能量聚焦器 舌糟吻合式接合面 最小壁厚3 05mm 3 12mm 优点 防止内外部溢料焊接牢固 缺点 设计相对复杂 剪口式接合面 优点 较高密封性焊接强度高适合所有材料 缺点 尺寸公差要求严格能耗相对高可能需要复杂固定治具 固定治具防止其互相挤压而产生偏移 故治具与工件要求高的匹配性 半结晶聚合物对径尺寸应小于88 9mm 最大焊件尺寸 每侧过盈量 范围 焊件尺寸公差 剪口式接合面 凸缘剪口 优点 焊接面不易察觉 缺点 焊接强度相对差 凸缘剪口 产品设计实例 密封圈 镜片 熔接线痕迹 SUNXDA700FRAME LENS 零件的设计注意点 近场 远场 近场焊接的效果要优于远场焊接 远场焊接需要比近场焊接需要更高的振幅 更长的焊接时间 更大的施加压力才能够达到与近场同等的焊接效果 远场适合于无定型聚合物 零件的设计注意点 平行接触 为了达到一个较好的焊接效果 焊接面需同一平面 且平行于焊头的接触面 这样有助于超声能量平均等距的传递到工件焊接面上 同样的道理 焊头的平面也需是一个单一的平面 平行于焊接接合面 近场和远场的原理图中也是满足这个标准的 图 其焊接接合面与焊头接触面不平行 这就导致了能量传递不均衡 传递到右侧的位置要晚于左侧的位置 使左侧已经过热和熔解 而右侧则刚开始熔解 焊接强度一侧过牢一侧比较弱 图 虽然焊接面和焊头是平行的 但是却不是同一个平面 也会导致能量传递不均衡的问题 图 焊头面是同一个面但是和焊接接合面不平行 图 焊头面和焊接面平行但是却不是同一平面 超声波铆接 铆接工艺是另一种利用超声波能量连接部件的常用方法 通常采用机械方式连接不相似材料部件 即在其中一个热塑性塑料部件上模压一个凸起 插入另一个部件的孔中 从而连接两个部件 运用的情况 两个不能焊接的材料 适合简单固定形式 优点 1 时间短2 牢固不反弹3 一个铆头可形成多个铆点4 很高的重复性和高控制度5 消耗品去除 黏着剂 螺钉 设计准则 使用接触域小且高振幅的焊头 使局部受热 迅速熔化使用下降速率可控的焊头施加轻微的力在有限的联接区域用预触发压力控制其铆头和铆料粘连下降速度慢防止铆柱断裂在保压时间内施加相对大的保压压力使其材料间保持较强的结合力好的铆接效果取决于合适的工艺参数以及铆柱和铆洞的合适设计合适的铆接柱设计会有一个很强的固定强度以及无溢料外观设计要点 铆头和铆钉的接触区域尽量的小 集中能量使其迅速可控的熔化 五种铆钉结构设计 铆椿 1 6 五种铆钉结构设计 圆顶铆 铆钉尺寸小于1 6 适合含玻纤树脂 2D 0 5D 五种铆钉结构设计 中空铆 铆钉设计大于或等于4 防止铆钉表面下沉或者空心降低了焊接时间需修理此处时 方便去除铆接部位 用螺钉再联接 五种铆钉结构设计 节铆 装配简单加工快速无需注重外观性 铆后尺寸形状等没有精确要求 五种铆钉结构设计 齐平铆 铆后表面不能有凸起 外观需求 埋插 是将金属元件嵌入到塑料件中的装配形式 嵌插工件之方法通常应用于嵌插金属工件进入塑胶工件中 容纳插件之孔位 通常比插件之外围尺寸细 须将高频能量输入插件及利用压力将插件插入塑胶工件中 或将高频能量输入塑胶工件而利用压力将塑胶工件套进插件 当插件与塑胶孔磨擦时 便会产生热能而使插件易于压入 当高频能量消失时 工件便会定形 插入件便会牢固在塑胶工件内 优点 塑胶工件不会被插裂 塑胶工件不会留下内应力 当设计嵌插工件及嵌插孔之尺寸