PPS塑料的超聲波焊接工藝

　　PPS塑料能夠超聲波焊接嗎？文章對(duì)PPS塑料超聲焊接的常見問題，如超聲焊筋設(shè)計(jì)、焊接條件和焊接強(qiáng)度，進(jìn)行詳細(xì)描述。超聲波技術(shù)不僅用于組件焊接，也同樣適合超聲波鉚接和超聲波鑲嵌工藝。

　　我公司在PPS塑料制品超聲波焊接工藝方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們廣泛做過PPS塑料葉輪、汽車電器連接器等部件；掃面網(wǎng)站左側(cè)二維碼，免費(fèi)提供PPS塑料超聲波焊接工藝參數(shù)咨詢。

   PPS（聚苯硫醚）是一種半結(jié)晶熱塑性塑料，具有陡峭的熔融曲線和較高的熔化溫度（285°C，545°F)，其純料PPS不適合超聲波焊接。但在添加玻璃纖維和其它填料后，因PPS混合物剛度大大增加，有助于超聲波振動(dòng)傳遞，所以可用超聲波焊接。在焊接筋設(shè)計(jì)合理的條件下，玻纖含量40% PPS可以很容易焊接。然而繼續(xù)增加玻纖含量和礦物粉時(shí)，因?yàn)榛旌衔镏袠渲煞趾孔兊土耍瑢?dǎo)致超聲焊接困難。

直徑128PPS材質(zhì)葉輪超聲波焊接視頻

超聲波焊接筋設(shè)計(jì)

   PPS產(chǎn)品焊接筋設(shè)計(jì)對(duì)焊接強(qiáng)度至關(guān)重要。需要從組件裝配上考慮零件及焊接筋的設(shè)計(jì)，以及這些設(shè)計(jì)對(duì)超聲波焊接工藝的影響。

　　對(duì)于PPS材料焊接，一般采用剪切縫設(shè)計(jì)。對(duì)于采用三角導(dǎo)能筋或者臺(tái)階式焊筋設(shè)計(jì)，不同型號(hào)含有不同成分的PPS有不同的焊接結(jié)果。對(duì)于含填料份量高的PPS混合物，在熔化時(shí)沒有足夠的流動(dòng)性，無法流入兩側(cè)形成更多粘接區(qū)域，因此該類PPS混合物不適合采用三角導(dǎo)能筋或者臺(tái)階式焊筋設(shè)計(jì)。

　　對(duì)于剪切縫，在焊接過程中在連接界面上產(chǎn)生類似“涂抹”的動(dòng)作，從而使得熔融塑料產(chǎn)生更大的流動(dòng)性，更容易焊接。試驗(yàn)證明，對(duì)于填料含量高的PPS，使用剪切縫的產(chǎn)品拉拔力是采用臺(tái)階式焊筋拉拔力的6倍。同時(shí)，剪切縫熔融和粘接區(qū)域更大，有助于密封。

典型的剪切縫和臺(tái)階式焊筋設(shè)計(jì)見下圖1和圖2。

    PPS塑料超聲波焊接——剪切式超聲波焊接線設(shè)計(jì)、 臺(tái)階式超聲波焊接線設(shè)計(jì)

　　對(duì)于最大尺寸大于89mm，或者形狀不規(guī)則的產(chǎn)品，由于注塑誤差難以控制會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)果不穩(wěn)定。因此，對(duì)于尺寸較大或者形狀不規(guī)則的產(chǎn)品不推薦剪切縫設(shè)計(jì)，而是推薦三角導(dǎo)能筋/臺(tái)階式/溝槽縫設(shè)計(jì)。一般來說，剪切縫的焊接深度大約是壁厚的1.25倍。

　　對(duì)于薄壁PPS塑料件的超聲焊接，采用20Khz頻率以上的焊接工藝更容易獲得成功。同時(shí)，具有瞬時(shí)功率小和防止部件損害的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)采用導(dǎo)能筋焊筋設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于典型的半結(jié)晶材料，三角筋尖角采用60°，底邊寬度一般是20%-25%的壁厚，高度是底邊寬度的0.866倍。

　　在設(shè)計(jì)選擇超聲波焊接工藝的產(chǎn)品時(shí)，必須考慮到盡量減少非必要的超聲波能量損失，記住這一點(diǎn)很重要。超聲波沿焊頭運(yùn)動(dòng)的方向傳播振動(dòng)，能量大小與墻壁截面大小成正比。要振動(dòng)的部分應(yīng)該是裝配件中位置最上、重量最輕的零件，同時(shí)在焊筋上方應(yīng)設(shè)計(jì)方便與焊頭接觸的較大平面。有時(shí)，還需要設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)將振動(dòng)能量直接傳遞到焊縫處，例如在蓋子邊緣增加凸起的唇邊結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)牧慵M裝間隙也是必要的，以避免干涉導(dǎo)致焊筋虛焊。振動(dòng)路徑上的零件應(yīng)增加倒圓角結(jié)構(gòu)，圓角大小是墻壁壁厚的0.6倍，以避免超聲波焊接時(shí)零件開裂。對(duì)稱設(shè)計(jì)的零件更容易焊接，因?yàn)槠鋲毫湍芰糠植季鶆颉?/span>       

                                                                      PPS葉輪超聲波焊接案例

總而言之，以下是要避免的錯(cuò)誤焊縫設(shè)計(jì)：

　　裝配組件間隙設(shè)計(jì)太小，存在緊或者干涉配合，阻礙超聲波振動(dòng)有效傳遞到焊筋處；傳遞超聲振動(dòng)的零件截面過小/薄，導(dǎo)致在大振幅下產(chǎn)生破裂；焊筋尺寸過大，導(dǎo)致瞬時(shí)功率輸出過大，可能損傷零件；直接與焊頭接觸的零件，不是組件中位置最上、重量最輕的零件；內(nèi)部尖角可能導(dǎo)致零件開裂；內(nèi)部金屬插件會(huì)吸收超聲振動(dòng)，降低焊接效率，因此應(yīng)在超聲焊接后組裝金屬件。焊接工藝建議

　　最佳超聲波焊接工藝很大程度上取決于零件質(zhì)量和組件裝配精度，以及所使用的焊接設(shè)備和治具。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，征求制造商的意見是很重要。焊接參數(shù)的調(diào)整應(yīng)考慮零件材料成分、尺寸誤差和剛度，以及焊頭接觸產(chǎn)品位置與焊縫之間的距離。產(chǎn)品的可焊接性能，是指材料在不受損傷情況下傳遞超聲波振動(dòng)的能力。

　　由于PPS是一種高熔點(diǎn)的半結(jié)晶熱塑性塑料，通常需要大振幅的超聲波振動(dòng)來熔化塑料形成焊縫?？紤]PPS的高模量（高剛度）特性，因此輸出的振幅能夠在塑料件中傳遞相當(dāng)長的距離。當(dāng)焊頭與焊縫之間距離越大，需要的振幅也就越大。在近場(chǎng)焊接（焊頭接觸面與焊縫之間距離小于6mm）時(shí)，采用高頻率和較低振幅的焊接工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的焊接效率。在遠(yuǎn)場(chǎng)焊接（焊頭接觸面與焊縫之間距離大于6mm）時(shí)，振幅傳遞距離受限于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，當(dāng)墻壁越薄，超聲振動(dòng)傳遞距離越短。

　　焊接所需的功率取決于焊接區(qū)域面積的大小，零件的幾何形狀和材料的吸收特性。PPS焊接時(shí)通常需要高功率輸出，以保證大部分能量非常快速的傳遞到焊縫處，同時(shí)避免對(duì)零件造成振動(dòng)損傷。焊頭的速度要與PPS塑料熔化和焊縫成形速度相匹配。

當(dāng)產(chǎn)品采用剪切縫設(shè)計(jì)時(shí)，初始參數(shù)可設(shè)定為高功率輸出、大變比調(diào)幅器、低焊接壓力，和較慢的焊接速度。然后，再根據(jù)實(shí)際焊接結(jié)果進(jìn)行下一步調(diào)整。焊接時(shí)注意，大振幅和長時(shí)間振動(dòng)會(huì)損傷零件表面。最大的焊接強(qiáng)度是在保壓階段形成。若氣密性不佳，可增大動(dòng)態(tài)保壓距離或者保壓時(shí)間來進(jìn)行改善。

　　采用剪切縫設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的是產(chǎn)品墻壁的側(cè)面支撐，以避免焊接中零件側(cè)壁張開導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不良問題。治具可由鋁、鋼、樹脂或其它材料制成。治具與產(chǎn)品的配合間隙要適當(dāng)，以提供適當(dāng)?shù)闹?，并方便零件的取放?/span>

影響PPS塑料焊接強(qiáng)度的原因

　　焊縫的強(qiáng)度通常比本體材料低得多。因?yàn)楹缚p上幾乎沒有什么玻璃纖維，所以焊縫強(qiáng)度主要取決于樹脂本身的強(qiáng)度。即變是在焊接純樹脂材料（不含玻璃纖維增強(qiáng)）時(shí)，焊縫強(qiáng)度通常也沒有本體材料大。對(duì)于某些特定的PPS材料，焊接強(qiáng)度可達(dá)50Mpa；對(duì)于大多數(shù)PPS材料，焊接強(qiáng)度不足35Mpa。此外，焊接強(qiáng)度隨著溫度升高而降低，如下圖（純料PPS抗拉強(qiáng)度隨溫度變化圖）所示。

除此之外，還有許多其它因素會(huì)影響焊接強(qiáng)度：

　　焊接區(qū)域面積。焊線越長，熔融塑料越多，焊接強(qiáng)度越大。但實(shí)際上，受注塑精度和治具等因素影響，焊接區(qū)域面積會(huì)比設(shè)計(jì)預(yù)想的要小很多。

　　注塑件尺寸精度和質(zhì)量。注塑缺陷如空隙，會(huì)吸收超聲振動(dòng)，影響能量傳遞?？赡軙?huì)導(dǎo)致零件表面燙傷和內(nèi)部裂紋，以及較低的焊接強(qiáng)度。

潤滑劑或脫模劑的此類表面污染，會(huì)減少摩擦生熱從而阻礙焊接過程。同時(shí)，因雜質(zhì)進(jìn)入焊縫，會(huì)損害焊縫強(qiáng)度。

　　焊接過程中，焊縫處PPS塑料迅速熔化和迅速冷卻，容易產(chǎn)生較多的非晶態(tài)（無定形）的狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)品使用溫度超過85°C，PPS會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成半結(jié)晶狀態(tài)，從而在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生額外的應(yīng)力。