第三章塑料连接

材料连接新技术

第三章塑料连接主要内容塑料概论塑料焊接的原理及影响因素塑料焊接方法1.塑料的概念

塑料：一种以高分子合成树脂为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅料成分的材料。它在一定的温度和压力下，塑制成不同形状的型材或制品，外力解除后在常温下仍能保持不变的形状。第一节塑料概论增塑剂：可增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性，使塑料易于加工成型。例如生产聚氯乙烯塑料时，若加入较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料，若不加或少加增塑剂(用量<10%)，则得硬质聚氯乙烯塑料。填充剂：可以提高塑料的强度和耐热性能，并降低成本。例如酚醛树脂中加入木粉后可大大降低成本，使酚醛塑料成为最廉价的塑料之一，同时还能显著提高机械强度。润滑剂：防止塑料在成型时粘在金属模具上，同时可使塑料的表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。着色剂：可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用有机染料和无机颜料作为着色剂。在塑料加工术语中，由塑料母料转变为塑料型材或制品的工艺称为一次加工工艺，或成型工艺；对塑料型材或构件等的进一步加工称为二次加工工艺。塑料焊接属于塑料的二次加工工艺。2.塑料的特点大多数塑料质轻、化学稳定性好、不会锈蚀。耐冲击性好具有较好的透明性和耐磨耗性绝缘性好、导热性低一般成型性、着色性好，加工成本低大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧尺寸稳定性差，容易变形多数塑料耐低温性差，低温下变脆容易老化塑料制品上的三角标“1号”PET矿泉水瓶、碳酸饮料瓶饮料瓶别循环使用装热水使用：耐热至65℃，耐冷至-20℃，只适合装暖饮或冻饮，装高温液体、或加热则易变形，有对人体有害的物质融出。饮料瓶等用完了就丢掉，不要再用来做为水杯，或者用来做储物容器乘装其他物品，以免引发健康问题得不偿失。“2号”HDPE清洁用品、沐浴产品清洁不彻底建议不要循环使用使用：可在小心清洁后重复使用，但这些容器通常不好清洗，残留原有的清洁用品，变成细菌的温床，你最好不要循环使用。“3号”PVC目前很少用于食品包装，最好不要购买使用：这种材质高温时容易有有害物质产生，甚至连制造的过程中它都会释放。目前，这种材料的容器已经比较少用于包装食品。如果在使用，千万不要让它受热。“4号”LDPE保鲜膜、塑料膜等，耐热性不强，通常合格的PE保鲜膜在遇温度超过110℃时会出现热熔现象，会留下一些人体无法分解的塑料制剂。并且，用保鲜膜包裹食物加热，食物中的油脂很容易将保鲜膜中的有害物质溶解出来。因此，食物入微波炉，先要取下包裹着的保鲜膜。“5号”PP微波炉餐盒、保鲜盒使用：唯一可以放进微波炉的塑料盒，可在小心清洁后重复使用。需要特别注意，一些微波炉餐盒，盒体的确以5号PP制造，但盒盖却以1号PET制造，由于PET不能抵受高温，故不能与盒体一并放进微波炉。为保险起见，容器放入微波炉前，先把盖子取下。“6号”PS碗装泡面盒、快餐盒不能用微波炉煮碗装方便面使用：又耐热又抗寒，但不能放进微波炉中，以免因温度过高而释出化学物（耐温70℃时即释放出）。并且不能用于乘装强酸（如柳橙汁）、强碱性物质，因为会分解出对人体不好的聚苯乙烯，容易致癌。因此，尽量避免用快餐盒打包滚烫的食物。“7号”PC其它类：水壶、水杯、奶瓶

PC胶遇热释双酚A使用：被大量使用的一种材料，尤其多用于奶瓶中，因为含有双酚A而备受争议。香港城市大学生物及化学系副教授林汉华称，理论上，只要在制作PC的过程中，双酚A百分百转化成塑料结构，便表示制品完全没有双酚A，更谈不上释出。只是，若有小量双酚A没有转化成PC的塑料结构，则可能会释出而进入食物或饮品中。因此，在使用此塑料容器时要格外注意。3.塑料的分类通用塑料按使用特性分：工程塑料特种塑料按理化特性分：热固性塑料热塑性塑料通用塑料：产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。例如：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC等。工程塑料：能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料。例如：聚酰胺PA等。特种塑料：具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。例如：氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用；增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性能等特殊性能，都属于特种塑料的范畴。热塑性塑料——加热熔化，冷却固化，再加热仍可熔化。热固性塑料——开始加热时软化或熔化，一旦固化后不再软化。热固性塑料：在成形过程中产生不可逆的化学反应，分子结构从加工前的线形结构转变为网状体型结构，这种结构一旦形成就不溶解、不熔化、也不再能粘滞的流动。在过高的温度下，热固性塑料会碳化。线型(加工前)少量交链(加工中)交联型(成型后)由于热固性塑料一次加工成形后的不熔性质，使热固性塑料无焊接性而言。热固性塑料主要用于隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等恶劣环境中使用的塑料，最常用的是炒锅锅把手和高低压电器。常见热固性塑料：酚醛塑料(PF)：电绝缘、耐热性、耐酸性好，用于电器通信、涂料、胶粘剂。氨基塑料：电绝缘、耐热性、耐酸性好，用于绝缘材料、餐具脲醛(UF)：无色、着色容易，似酚醛，用于罩、按钮、涂料等三聚氰胺：硬度大，耐磨性、阻燃性、耐水性好。用于装饰板、强化地板、电器零件、涂料。环氧树脂(EP)：粘接效果、电绝缘性、耐药性好，用于粘合剂、涂料、电绝缘材料。不饱和树脂(UP)：可低压成型，玻璃纤维增强，用于玻璃钢制造、灌封。例如：酚醛树脂的应用与性能制造隔音、隔热材料等耐火材料、摩擦材料沿海城市潮湿，盐分过多的气候，不生锈、不腐蚀、不风化、使用年限久储存腐蚀性介质，耐多种酸、碱、盐和有机溶剂。日用品、装饰瓶电绝缘性能优异耐高温热塑性塑料：分子链都是线型或带支链结构，分子链之间无化学键产生，可以在一定的温度作用下软化直至塑料流，冷却又重新硬化。在这个可反复多次的可逆变形过程中，大分子的化学性质不变，当温度大于极限温度后，热塑性塑料会化学分解。塑料的焊接仅指热塑性塑料。日常生活中使用的大部分塑料属于这个范畴。常用热塑性塑料:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。4.描述热塑性塑料使用性质和工艺性质的温度参数玻璃化温度Tg粘态流动温度Tf熔化温度Tm热分解温度Td玻璃态：机械加工高弹态：橡胶粘流态：可挤压性、可模塑性玻璃态

聚合物三种力学状态高弹态粘流态玻璃化转变，Tg粘态流动温度Tf熔化温度Tm：对于结晶性聚合物，指大分子链结构的三维远程有序态转变为无序粘流态的温度。热分解温度Td：处于粘流态的聚合物当温度进一步升高时，使分子链的降解加剧，升至使聚合物分子链明显降解时的温度。热塑性塑料工艺加工的温度范围：

Td-Tm(Tf)塑料的焊接就是在这个温度区间进行的：①Tm或Tf的数值越高，塑料焊接的温度就越高，设备成本因此也越高。②Tm或Tf与Td之间的区域越窄，塑料焊接的操作越困难。1.塑料焊接的原理

塑料焊接的基本原理是热熔状态的塑料大分子在焊接压力的作用下相互扩散，产生范德华作用力，从而紧密的焊接在一起。第二节塑料焊接原理及影响因素塑料焊接的必要条件：温度：导致塑料熔融流动的焊接温度压力：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，并可以促进大分子相互扩散，并挤去焊缝中残余气隙，从而增加焊接面密封性能时间：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熔合，同时必须保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。

比较塑料焊接与金属焊接的异同相同：都要热源和焊条接头的类型大致相同焊接方法相同强度的评定方法相似？不同：焊接金属时，焊条与基体材料熔成一体。金属有确定的熔点，而塑料在软化温度和烧焦或燃烧的温度之间有很大的熔化温度范围。此外，与金属不同的是，塑料的导热性极差(可认为其不导热)，这是塑料在焊接时很难保持热量的均匀性。在对其加热时，塑料表面下的塑料部分还未完全熔化时，塑料焊条和塑料表面就会烧焦或燃烧。在焊接温度下分解的时间比在熔焊中使许多塑料软化所需的时间短，所以塑料焊机的工作温度范围要比金属焊机小得多。由于塑料焊条不会完全熔化，所以在焊接前后看了没有变样。从事焊接金属的技工往往会认为这样的塑料焊接是不完全的。理由是，因为只有焊条的外表面熔化，其内芯仍然是硬的。焊工可向焊条施加压力，使它进入焊区并形成永久结合。焊接塑料时，材料在热量和压力的适当结合下熔融在一起。采用常用的手工焊接方法时，这种结合是靠用一只手向焊条施加压力，而同时用焊炬的热气把焊条和基体材料加热并保持扇形动作而实现。成功的焊接在于保持压力和热量恒定和适当均衡。对焊条施加过大压力会使焊缝扩大，而热量过多会使塑料烧焦。2.塑料焊接的影响因素(1)塑料的焊接工艺首先应该根据母材的焊接性能制订。除了母材因素外，塑料的一次加工过程也是影响焊接性能的重要因素之一。通常，由于一次成型加工，塑料内的组织结构、分子取向状态、结晶度以及内应力等均已发生变化，这些变化往往影响塑料的焊接性能或者焊接强度。(2)焊件预处理状态焊件表面清洁——脱脂去污(注意选用的脱脂清洁剂不能溶解被焊接材料，也不应使之膨胀)焊件表面平整与平行的预加工处理例如①管道端面对接焊时，必须先用平行机动旋刀削平两个管材的被焊端面，并保证两个端面相互接触时基本平行②用于超声波焊接的塑料注塑件，其注塑模具应保证该构件的焊接面平行接触。(3)焊接接头的强度既与被焊塑料的品种和材质有关，又与焊接工艺方法有关。(4)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气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。(5)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。

第三节塑料焊接方法一、热气焊(热空气塑料焊接)热气体：大多数情况下即热风，利用电加热元件将一定压力的空气加热压力：通过手动或机械方式1.基本概念将热气体通过喷嘴喷到塑料上，对塑料表面加热，并对焊接区施加压力，从而进行焊接的方法称为热气焊。在塑料焊接的发展和应用中，热气焊方法历史最长，应用广泛。两个要素：2.热气焊方法的分类(1)热气摆动焊摆动热气喷口，分别对被焊基体和焊条加热，焊条在一定的手持顶紧力下熔化，进而进入焊缝。(2)热气嵌入焊焊条先被引进焊枪头部并被预热塑化，自然熔嵌进焊缝。通过焊枪头的设计或其他专用工具，可以根据焊缝的形式，手动施加一定的焊接压力(3)热气搭接焊用热气对塑料的搭接缝隙进行加热，并用手压或机械装置对焊接区施加压力，从而实现焊接。热气搭接焊一般不需要焊条。(4)热气挤塑焊以焊接填料在塑化装置(挤出机)内充分均匀混合，塑化后挤出的棒状熔料为焊接填料，填进已预热至焊接温度的焊接表面并用专用压具压实的塑料焊接方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接。(1)空气压缩机提供热气焊时的热源。为了便于野外施工使用，也可采用300W吹尘机来代替笨重的空气压缩机。(2)空气过滤器也称油水分离器或干燥过滤器。由于空气中存在水分和灰尘会降低焊接强度，并影响焊枪的使用寿命。例如，空气中的水分对电热焊枪的电阻有很大的损害，成为经常修理的原因。3.热气焊方法的设备(3)变压器用于改变焊枪内电热丝的供电电压的大小，从而调节焊枪喷嘴喷出的压缩空气的温度。(4)焊枪金属外壳空心手柄喷嘴：该部分的设计最为重要。若喷嘴直径过小时，受热面太窄，无法使焊条和焊接面均匀受热；若喷嘴直径过大，易使焊接面熔融过多，焊接时起毛，影响外观。组成手焊枪快速焊枪喷嘴大可用大直径焊条，提高工作效率对热气作了分流：一部分热气用来加热基材；另一部分用来预热焊条由机械操纵分类4.热气焊材料

气源热气焊过程中作为焊接热源载体的气体必须去油、去水分。热气可以是空气，或氮气等惰性气体。出于安全考虑，热气焊不得使用可燃气体作为热源气体。根据被焊塑料品种不同，加热要求不同，气源温度不同。塑料品种聚氯乙烯聚丙烯有机玻璃聚碳酸酯聚甲醛热气温度℃210±20220±20250±10330±10230±10典型塑料品种热气焊的温度范围填充材料常见的热气焊填充材料有圆形、矩形截面以及绳状或条状的焊条。热塑性硬塑料的焊接多用直径为2mm、3mm或4mm的圆截面焊条。热塑性软塑料多使用不小于3mm直径的绳状或条状焊条。5.热气焊基本顺序将焊机调节到适当温度用塑料清洁剂清洗零件开破口定位焊或用胶粘好使用合适的焊条和喷嘴焊接。(焊条顶紧在焊道坡口的焊接表面上，然后用热风均匀对其及母材加热，直至熔融焊合。焊好后冷却、硬化处理约30min)将焊缝磨光、擦光或刮出适当的轮廓和形状6.影响热气焊接质量的因素塑料母材的焊接性与母材相适应的填充材料，一般焊条应与母材相同焊缝的形式和焊道数。一般讲，焊道数应少，每道应厚。焊接条件(温度、速度、压力)a.温度。焊接温度一般是热气流温度190~220℃左右。若焊接温度增高，焊接速度也应增快，但温度过高会产生焦灼；温度过低，会使焊缝与材料之间强度降低。b.速度。焊速一般为9~15米/时。焊速太快而温度又低时，焊条和焊件没有充分软化，就粘接不牢，在焊缝断面能看到一根根圆形的焊条；焊速太慢而焊接温度过高时，会烧焦。c.压力。焊接时，焊条和对焊条施加压力的方向都应与被焊材料的焊缝成90°角度。7.热气焊的优缺点优点：焊接设备容易携带缺点：焊接过程缓慢二、热工具焊利用一个或多个发热工具对被焊塑料的表面进行加热，直至其表面层充分熔化，然后在压力作用下进行焊接的方法称为发热工具焊接，或简称为热工具焊。热工具焊是目前应用最广泛的塑料焊接方法之一。热工具焊通常不需要填充材料，依靠手力或机械力产生焊接压力。1.基本概念直接式热工具焊：间接式热工具焊：分类区别：发热工具与塑料表面之间不同的相互位置发热工具直接位于两个对接焊的面与面之间，通过热传导和热辐射直接对塑料表面加热。焊接壁厚一般大于0.8mm。发热工具安装在被焊塑料焊接面的背面，加热焊接面的热能必须通过一定的距离才能传到焊接面上。即热能是通过一定厚度的被焊塑料后，简接地作用于焊接面上。主要用于焊接厚度小于或等于0.8mm的塑料薄膜。2.直接式热工具焊准备阶段加热(预热)周期切换周期：在加热达到塑料的熔融焊接状态后，必须快速撤移出位于两个对接面之间的发热工具。压焊周期：焊接压力必须保持到焊接区内的热熔态塑料完全冷却硬化位置，从而保证焊接接头具有足够的强度。四个阶段典型的直接式热工具焊方法热工具对接焊：发热工具的两个加热面相互平行地同时对被焊塑料端面加热，待焊接面上的塑料热熔后，手控或机械控制切换过程和焊接压力，将两个表面压焊成一体，从而实现焊接。热工具直角焊：用发热工具分别对两块被焊塑料的端面和平面加热，手控或机械控制切换运动和焊接压力，将它们直角焊接在一起。热工具弯角焊：借助于手力或机械力将楔子形的发热工具压进被焊塑料的表面，使其熔化，形成缺口，然后将塑料扳向缺口缺口方向折成弯角，使呈楔子形的缺口焊接在一起。热工具套焊接：用发热焊接工具的内环面和外环面分别对被焊管材相应的外侧面和内侧面加热，然后拔出发热工具，把被焊管材热压在一起。内藏电热丝焊接：利用在被焊套管内环面上缠绕的电热丝对管材的套接面加热，从而进行焊接。发热锲搭焊接：作为发热工具的热锲位于两个搭接面之间，通过手控或机械控制压轮将搭接面压焊在一起。热工具割焊接：先将被焊塑料片材叠放在一起，然后用丝形、带形或刀形状的发热工具将其切断，断面上的塑料与发热工具的侧表面加热面接触熔化，从而焊接在一起。3.间接式热工具焊热脉冲焊：焊接过程中，发热工具中的电加热装置仅在加热周期里接通，而焊接压力则在整个焊接过程中，始终作用于焊接面上。1—焊缝2—被焊材料3—热带夹持头4—弹性隔热层5—热带6—工作面7—隔离套热接触焊：焊接过程中，发热工具持续加热，但热能仅在加热阶段里分别通过两块隔离夹持板接触传递给被焊工件。冷却周期里，发热工具脱离夹持板，由夹持板保持加紧力，保证焊接面上具有足够的焊接压力及一定的作用时间。8—工作面9—被焊工件10—压头11—隔离支撑板12—焊缝热滚轮焊：被焊塑料被连续地引入滚轮系统，通过滚轮中的持续加热装置和冷却装置进行焊接。13—被焊材料14—滚轮15—发热元件16—冷却装置17—滚轮带18—焊缝19—工作面4.热工具焊设备加热工具

(焊接温度时实现焊接和保证良好焊接质量的重要条件，加热工具是热工具焊接的重要构件。)温度、时间、压力等的控制系统

(在自动化的焊接机中，热工具焊的控制系统，包括温度、压力、时间等控制系统，这些控制系统用以确保实现预期工艺目标。)5.热工具焊质量的影响因素母材塑料的焊接性：最适宜热工具焊的塑料品种是聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯等)。异种塑料之间、或者同一品种但不同牌号的塑料之间的焊接性能必须根据试焊结果才能确定。焊接参数的确定、调整与控制以及正确的操作。被焊件厚度加热的方式发热工具的表面质量和清洁度(对于直接式热工具焊而言)

发热工具表面必须清洁、阻燃、不会与被焊塑料起反应，并能防止塑料热熔后粘贴在发热工具的表面。发热工具表面通常都涂敷一层增强聚四氟乙烯膜。三、超声波焊塑料超声波焊接是塑料的焊接面在超声波能量的作用下作高频机械振动而发热熔化，同时施加焊接压力，从而把塑料焊接在一起。超声波振动和焊接压力的作用方向一般垂直于被焊接面。超声波焊接原则上适用于大多数热塑性塑料。主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和线材等，通常不需要填充材料。1.基本概念音波2.超声波焊接原理电能转换为机械振动能振幅的放大频率和振幅的关系熔融的因素

超声波熔接的工作原理：振动能量从焊头传递到工件，工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。

能量定向唇：减小超声波焊接的起始接触面积，以达到理想的起始加热状态准确地控制材料熔化后的流动。防止工件自身过热。3.超声波焊接分类近程超声波焊接：超声波振头和塑料焊接面之间的作用距离很近，导致与振头端面接触的整个塑料焊接面都发生热熔化，从而实现焊接。远程超声波焊接：超声波振头和塑料焊接面之间的作用距离较远，超声波能量必须经过被焊工件传递至焊接面，并仅能在焊接面上产生机械振动，从而发热熔焊接。位于超声波振头和按揭面之间起传能作用的工件本身，并不发热。4.超声波焊接设备超声波发生器：将输入的低频电流转换为输出的高频电流。高频电流的频率范围与超声波频率范围相同。一般为20~40kHz。换能器：将电能转换成机械能。调幅器：改变振幅。焊头(振头)：通常是一半波长的共振金属块，将振动能量传递到工件上。底模(底座)：在焊接时需要对下面的工件进行固定及支撑。5.塑料超声波焊接的影响因素(1)母材的焊接性能

由超声波的工作原理可以知道，超声波的实际功率并不大，工作时间短，所以产生的热量有限，所以一般只适用于一些熔点较低(400℃以下)的材料。主要以热塑性的聚合物即塑料为主。一般来说，聚合物的熔点越高，其焊接所需的超音波能量越多。材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的。总的说来，愈硬的材料其传导力愈强。(2)超声波的熔接能量影响熔接能量的因素气压 通过调压阀来调整，一般来说气压越大，能量越大下降速度一般来说，下降速度越大，能量越大频率 超声波熔接机器都有固定的频率，频率越大，能量越大振幅 振幅的调整可以通过调幅器和焊头的设计来达到焊接时间焊接时间越长，焊接的能量越大保压时间保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，形成的焊点越稳定，变形越小压力：压力过低，会延长焊接时间，使工件表面产生疤痕或质量不佳；压力过高，会使工件破裂，使界面结合欠佳，甚至过载，而终止超声。时间：过长的焊接时间,会产生飞边或质量下降,特别是严格密封的场合下,更要注意；过长的焊接时间,会使工件偏离焊接区、表面熔化或破裂，特别是有孔部位、模合线上或头角处。(3)焊接参数6.超声波焊接的特点优点：焊缝固定而美观(发热仅集中在焊接部分)

不受待焊表面污染的限制(超声波高频机械振动同时起清洁破碎表面作用)，广泛应用于医药、制油、和食品工业等。容易实现自动化生产焊接强度高，粘接牢固缺点：设备成本比较高焊接速度受到限制四、高频电焊被焊塑料至于两电极之间，在高频交变电场和焊接压力的共同作用下发热熔