热塑性塑料的8种焊接

昵称35953524 2017-11-03

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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设计初作出。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著。

1、超声焊接；

2、振动焊接；

3、旋转焊接；

4、电磁焊接；

5、接触(电阻)焊；

6、热板焊接；

7、热气焊接；

8、挤出焊接；

9、溶剂粘接。

超声焊接

焊接距离

近距离焊接，指被焊接位距离焊头接触位在6mm以内，远距离焊接则大于6mm，超声波焊接中的能量在塑料件传递时会被衰减地传递。衰减在低硬底塑料里也较厉害，因此，设计时要特别注意要让足够的能量传到加工区域。

远距离焊接，对硬胶（如PS，ABS，AS，PMMA）等比较适合，一些半晶体塑料（如POM，PETP，PBTB，PA）通过合适的形状设计也可用于远距离焊接。

超音波焊接机的工作原理

是通过振荡电路振荡出高频信号由换能器转化成机械能（即频率超出人耳听觉阈值的高频机械振动能），该能量通过焊头传导到塑料工件上，以每秒上几十万次的振动加上压力使塑料工件的接合面剧烈摩擦后熔化。振动停止后维持在工件上的短暂压力使两焊件以分子链接方式凝固为一体。

一般焊接时间小于1秒钟，所得到的焊接强度可与本体相媲美。超声波塑料焊接机可用于热塑性塑料的对焊，也用于铆焊、点焊、嵌入、切除等加工工艺。根据产品的外观来设计模具的大小、形状。

焊接材料性能

适合超声波的材料：ABS, Acrylic, PC，PS,SAN，PVC，丙烯酸等非结晶聚合物。

不合适超声波的材料：PP, PA等半结晶体。

各种热塑性塑料的超声波焊接性：

异种材料的焊接：在焊接异种材料时，两材料之间的熔点差不应超过22℃，分子结构应相似。

各种塑料的超声波焊：

超声波塑料焊接机由气压传动系统、控制系统、超声波发生器、换能器及工具头和机械装置等组成。

1、气动传动系统

包括有：过滹器、减压阀、油雾器、换向器、节流阀、气缸等。工作时首先由空压机驱动冲程气缸，以带动超声换能器振动系统上下移动，动力气压在中小功率的超声波焊接中气压根据焊接需要调定。

2、控制系统

控制系统由时间继电器或集成电路时间定时器组成。主要功能是：一是控制气压传动系统工作，使其焊接时在定时控制下打开气路阀门，气缸加压使焊头下降，以一定压力压住被焊物件，当焊接完后保压一段时间，然后控制系统将气路阀门换向，使焊头回升复位；二是控制超声波发生器工作时间，本系统使整个焊接过程实现自动化，操作时只启动按钮产生一个触发脉冲，便能自动地完在本次焊接全过程。

整个控制系统的顺序是：电源启动一触发控制信号气压传动系统，气缸加压焊头下降并压住焊触发超声发生器工作，发射超声并保持一定焊接时间去除超声发射继续保持一定压力时间退压，焊头回升焊接结束。

3、超声波发生器

（1）功率较大的超声波塑料焊接机，发生器信号采用锁相式频率自动跟踪电路，使发生器输出的频率基本上与换能器谐振频率一致。

（2）功率在500W以上的超声波塑料焊接机所用发生器采用自激式功率振荡器，也具有一定的频率跟踪能力。

4、超声波焊接机使用的声学系统，主要是由换能器和工具头构成的。

超声焊接在20-50kHz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。焊接工艺变量包括焊接时间、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。

能量控制器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器结可在一些不密闭的半结晶材料中应用。

无定形和半结晶聚合物所用的能量导向嚣的近似尺寸

上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。

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。

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:(c)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。

＊槽舌接合不但提供了剪切强度而且提供了拉伸强度。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，间隔加强筋改善了接头找平。

振动焊接

振动焊接是摩擦焊接过程，其间被焊接的制件在压力下磨擦到一起直到生成的磨擦和剪切热量使头蚧面达到充分熔融状态。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性塑料，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。

图4 振动焊接用典型接头设计

(a) 焊接前的标标对接接头；(b) 焊接后的标标对接接头； (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。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。

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、氧化铁粒子、不锈钢粒子或其他磁性物质，它定成为电磁能的靶子。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。

图5 电磁焊接用的典型接头结构

(a)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

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。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PP。

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，此工艺最适于焊接不同的材料。热板焊接可达到很高的焊接强度。但此工艺的周期可能相对长，小制件需15s，而很大的制件需几分钟。

热气焊接

热气焊接是广泛用于连接热塑性型材和片材生产很大制件的焊接方法。适用于需要局部组装的较小的注塑成型制件、热塑性制件的修理及样模制件的制造。用与被焊接制件相同的聚合物品牌生产焊条是重要的。

挤出焊接

挤出焊接是由热气焊接发展而来的焊接方法。主要较大片型结构的自动焊接。