塑料的焊接方法与设备

塑料的焊接方法与设备

通常认为热塑性焊接是不可逆的.少数工艺如感应焊接可生产可逆组装件.至

于选择哪种方法应在制件没计初作出,因为焊接方法对制件设计的要求可能是重

要的，且不同焊接方法同差别显蓍.

1.超声焊接

2.振动焊接

3.旋转焊接

4.热板焊接

5,感应焊接

6.接触（电阻）焊

7.热气焊接

8.挤出焊接

热气焊接技术通常用来焊接塑料管片或半成品制品而不是注塑成型制件.但

许多热塑性模塑制件，特别是热塑性汽车盘是用热气焊接技术修复的，另外热气焊

接有时用来制备塑料样模制件.

超声焊接

焊接热塑性制件的最普通的方法是超声焊接这种方法是采用低振幅,高频率

（超声）振动能量使表面和分子摩擦产生焊接相连垫塑性制件所需的热量.（正弦超

声振动）

超声焊接在20-5GkHz的频率范围内发生，其一般振幅范围为15-60um.在低

达15kHz（较高振幅）的声频有时用于较大制件或较软材料.焊接过程通常在

0.5-1.5S内发生.焊接工艺娈量包括焊接时间,焊头位置和焊接压力.超声焊接设备

通常用来焊接中，小尺寸的热塑性塑料制件，而很大的制件可用多点焊接.

超声焊接方法可根据焊接时间或焊缝位置（塌陷距离）或焊接能量控制.也对

焊接压力和冷却时间提供附加控制.

超声焊接设备一般不是在20kHz就是在40kHz频率下运行.20kHz装置更常

用.

接头设计:第一类即最常用的接头类型，在被连接表面的垂直方向上利用超声

振动.对接和Z形接合归入这一类，适用于多数聚合物.第二类超声焊接接头包括与

接头表面平行的振动形成剪切状态.各种类型的剪切和嵌接归入第二类.

能量控制嚣接点与无定形材料一起使用最佳，图1所示较大的能量控制嚣结

可在一些不密闭的半结晶材料中应用.

不良的封接接殳言十

焊接畤

焊接能量谩大

摘出焊醴嶂致外觐缺陷

改出的封接接十

焊接^^缩短

带有能量醇向ft的焊接能量减少

封接接掷出的溢料（可见）

焊接面稹减少

摘出熔飕没有形

附加的溢料收集第成品外觐辗缺陷

改谨的耐剪切性

有助部件定位

Z形接^摘出熔醴没形成外觐缺陷

典型的能量控制^尺寸/M

辗定形聚合物半结晶聚合物

尺寸小部件大部件小部件大部件

h0,3-0,』0,5-0,60.5-0.70,7-1.0

@600-90"90"

图1无定形和半结晶聚合物所用的能量导向嚣的近似尺寸

此图所示的焊接接头是对普通能量控制接头设计的独特的改进.下面式件用一个

粗糙或有纹理的表面改进.将会提高焊接质量，焊接强度和焊接完成的容易程度.

其他许多有纹理的接头外形也是可行.

溢料问题可通过把溢料污染槽引入接关设计中而降低，为安全,一般溢料槽设

计至少10%的过度体积容量.

*紧压接头:为了使溢料形成的可能性最小，紧压接头设计的目的是阻挡熔体

或将熔体保持在熔区内.紧压接头对半结晶的塑料材料如尼龙是有用的.因为接关

结构更复杂，紧压接关所需的制件配合公差相对严格.与三角能量导向嚣焊接相比,

较大的接头结构也需要附加振幅和焊接能量.典型的紧压焊接几何结构如图2所

示.

15,维度

图2典型的超声紧压焊接结构

制件找平：简单对接没有任何措施解决制件相互找平或对中•制件找平更适

于用模塑定位销或双头螺完成.而Z形接能自动找平,且在使用时耐拉伸且改进了

搞剪切负荷性并能消除外部溢料.

滑勤^隙

图3超声焊接工艺用的典型z开接头设计

(a)焊接前的z接头(b)焊接后的z形接头⑹改进的

z形接头:台阶附带肩部掩盖了不平性，结果使外观改进

火槽舌接合不但提供了剪切强度而且提供了应伸强度.这种接合是自对中的,

接合区域的壁厚必须相对大以适应槽舌接合设计.另外，制件公差要求相对严.问

隔加强筋改善了接头找平.

图4超声焊接工艺用的典型槽舌接合设计

*剪切接头当焊接半结晶聚合物（或其他难以焊接的聚合物）和需要密封

接头号时，一般推荐使用剪切接。需要高强度，高质量接培的环形和矩形制件

都用剪切接头。剪切接头号具有搭接制件壁部分，当接头被焊接和相互依次嵌入

时，搭接部分产生公差和局部剪切。为了促进制件找平，接头包含了调节部分。

为了集中熔融能量，一边上的阻碍物的顶角在初始接触面上降低。因为融化材料

的温度在整个接触面上保持一致，制件被焊接时，两表面熔融均匀。深度为

1.0-2.0mm的使用0.13-0.5mm范围内的公差值。为了防止在焊接过程中由于公

差而产生的外部侧壁翘曲，垂直的制件应尽可能浅，但在一边用剪切制件改进的

槽舌接头可与较深的拉伸制件一起使用，提供中壁接头，它使由干公差而产生的

侧壁翘曲最小。如图5所示。

同隙

0.05-0.13-

焊接深度弘

图5典型的超声焊接剪切接头设计和典型的中壁组装剪切接头设计

<a）焊接前的部件；（b）焊接后的部件

1-槽舌剪切接头：有助于阻止部件向内弯曲；2-支撑夹具：目的是在焊接过程中

阻止下面部件壁向外弯曲；3-上面的部件；4-下面的部件

*斜坡接合斜坡接合设计也可为无定形和半结晶聚合物提供高强度密封

接头。斜坡接合是自固定的且最适合小尺寸的圆形或椭圆形制件。斜坡接合的焊

接能量要求很高。

C/mnQ/(1最小0.76mm

<0.64650J

0.81-1.144(

1.27-1.523-

>1.52L

10-0.15mm

图6超声焊执着用典型的斜坡接合设计

（a）斜坡接合；

(b)改进的斜坡接合(附加公差)

1-溢料槽；2.夹具

斜坡接合具有30。-60。的角且应该在±1。内装配。为附加的熔区材料厚度增

加的0.10-0.25mm的公差产生焊缝和溢料。当从功能或审美上不能接受溢料时,

就使用收集器。

火带嵌入密封装置的焊接用嵌入的弹性密封圈或韧性垫圈也可获得可靠

的密封。如图7所示接头制件装有一个弹性环，以改善用超声焊接接合可达到的

密封安全性，或在连续的周边焊接不可能的情况下使用。

图7超声焊接制件通常需要密封接头

1-能量导向器；

2-弹性密封

*电梓焊超声焊接设备也可生产电梓焊和销套触点焊接c在不需要密封接

头的应用中，销套接头可用来连接相同的塑料材科。

一般的超磬^^/加IT焊接接II

3、

图8超声焊接设备可形成销孔型剪切接头

1-溢料收集器;2-焊接前;3-焊接后

*超声钏焊超声焊接的变异是超声钏焊.即把一个热塑性制件固定在另一

个不同材料的制件上的方法翎钉或凸台在底部应该有十分大的半径或圆角以

防裂纹或熔融.为了集中超声能量，凸台的顶端应该设计成与焊头的初始接触最

小。凸台顶部可以是平的或圆锥形的，半结晶或填充的聚合物以圆锥形的较佳。

超声钾焊的完整性取决于钾钉和焊头之间的精确容量关系。

图9超声焊接设备可生产钏焊或各种结构

1-g.6mm的钏钉；2-尖锥触发熔融；3--三14.0mm的翎钉

*标准抑焊直径在16-4.0mm这间的平头钏钉。刚性和柔性的不耐磨热

塑性塑料推荐使用标准外形。

大半球形钏焊直径小于1.6mm的钏钉建议用在半球形钏焊上。对耐磨塑

料是合适的。

大溢流式钟焊溢流式钏焊用在要求表面为平的或隆起的及锁信制件的厚

度被允许使用的应用中。

火空心钏焊直径大于4mm的凸台或钾钉去芯后可生盲孔凸台。

如图10所示当啮合制件中不允许有通孔时，超声焊接设备也能形成机械

互锁。模制塑料钏钉（与用于饵焊的类似）和在啮合制件中的盲倒角可形成以公

差为基础（假设带倒角的制件不融化）的真正的矶械接合。

图10用超声焊接形成机械互锁的示例

1-带软化和变形钾钉的热塑性部件；2-具有倒角的啮合部件；3-超声波焊头

*超声焊接的材料因素超声焊接操作适合于多数热塑性材料。

•1无定形聚合物，特别是室温下外于玻璃态的无定形物，通常是焊接

工艺的好的候选材料。玻璃态无定形聚合物具有良好的透射性能，允

许用看近场和远场焊接技术成功焊接。当材料较软时，开定形材料的

超声焊接就成问题。如：焊接高冲击ps将比焊接通用ps一般需要更

多能量和附加振幅C

•2半结晶聚合物一般更难用超声能量焊接增加由焊接体系发射的能

量值（即增加振幅）；缩短焊头/制件接触面与接头接口间的距离;使用

近场超声焊接技术;使用振幅高达0.05-0.15mm的焊头.这些高焊接振

幅需要使用钛焊头.当需要高强度、密封组装时，剪切接头和斜坡接

合对半结晶聚合物都适用。

•3焊接吸湿性聚合物：模塑后马上焊接制件(在它们仍是干燥时)；

焊接前干燥制件；焊接前把制件存放在干燥器内。

振动焊接

振动焊接是摩擦焊接过程，其间被焊接的制作在压力下磨擦到一起直到生成

的磨擦和剪切热量使头蛤面送到充分熔融状态C一旦熔融膜已经形成渗入到足够

深的沓接区域，相对运动停止，在压力作用下焊缝冷却并固化。

振动焊接适用几乎所有的热塑笥塑料，往复运动方向上具有允许的无约束运

动焊缝的制件，中型或大型制件。

振动焊接的材料因素与超声焊接类似：无定形材料比半结晶聚合物更适合采

用振动焊接的类似。

•环形振动焊接可连接焊区尺寸与焊区到旋转轴的距离近似相等的

制件。

•线性振动焊接用在允许一个方向上线性振动的成套制件上。

接头当被连接的整个表面是平的或稍向平面外弯曲时，对制件来说振动焊接工

艺是最理想的。

(a)焊接前的标准对接接头；(b)焊接后的标准对接接头；

(c)用溢料收集改进的对接接头

1-焊接设备沟槽；2-单平面分型线；3-焊接溢料；4-带溢料收集器的接合

旋转焊接

旋转焊接用来连接具有旋转对称接合表面的制件，它属磨擦焊接工艺。是连

接可大可小的圆柱形热塑性塑料制件的最有效的工艺。用旋转焊接技术组装的制

件常常具有与周边垂直的连接板等特征。它的生要加工变量是相对剪切速率、焊

接压力和焊接时间c旋转焊接的接头强度取决于材料、接头设计和所用的加工条

件；多数热塑性塑料可达到强的气密封接焊缝。旋转焊接对透射性能不好的材料

特别合适。

图12旋转焊接工艺用的典型的基本接头结构

1-对接接头；2-槽舌接合；3-带收集器的T、G接合

4-斜坡接合；5-剪切接合

电磁焊接

电磁焊接（电感焊接）是利用能达到熔化温度的电感能量连接热塑性制件的

方法。也被称作特种插入焊接，此间磁致旋光聚合插入物被一个高频电磁场加热。

焊接材料一般是磁致旋光的填充聚合物，它是由和制件材料相同的聚合物或

兼容的聚合物制造的。这种强磁性填充聚合物包括细分散的、微米尺寸的铁粒子、

(a)Cb)

Cc)(d)

图13电磁焊接用的典型接头结构

氧化铁粒子、不锈钢粒子或其他磁性物质，它们成为电磁能的靶子。按体积

计算的强磁性粉的装填量通常少于15%当施加在制件上的力在焊接接头处产生

剪切时，焊缝最结实。实际中最常用的接头是槽舌接头和Z形接合。感应焊接需

要使用具有附加成本的嵌入焊接材料，且很不适合与含有电磁敏感零件的制件

如金属嵌一起使用。

⑻平型到槽纹接头

(b)舌状到槽纹接头

(c)剪切接头

(d)Z形接头

接触（电阻）焊

接触电阻焊电导线或条带被直接放入接头界面，电线连接在电路中且用电

阻损失直接加热。热量通过导热性传递给相邻的塑料材料，因此塑性固体在局部

区域软化或溶化。断电后，焊接区或冷却，压力使啮合制件彼此接触。设备要求

最低，焊接过程简单且速度快，特别适合于焊接很大的制件c但需要损失加热电

线，焊接后电线保留在原位，增加了加工成本，且电线的存在也对成品的焊缝强

度有不利影响。

热板焊接

热板焊接（对平型制件），它是用电加热金属模具使被连接塑料制件表面软

化的热塑性焊接过程。几乎适用于所有的或大或小的热塑性制件。特别适合焊接

较软的半结晶热塑性塑料如PE或PPO由于不同的模具表面温度能名适用于两种

不同的热塑性材料，此工艺最适于焊