適合超聲波焊接材料的特性

超聲波焊接材料的特性

　　超聲波焊接的機(jī)理是當(dāng)兩焊件界面的塑料一起達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí),界面的分子鏈會(huì)打開(kāi)并相互糾纏在一起,冷卻后兩焊件被焊在一起。焊接的機(jī)理如圖1.4所示[16]。如圖1.4a所示,在室溫下,分子鏈?zhǔn)枪潭ǖ牟⒈幌拗圃诤讣砻鎯?nèi)。圖1.4b隨著超聲振動(dòng)傳遞,分子內(nèi)相互摩擦和兩界面的摩擦產(chǎn)生熱量,當(dāng)溫度達(dá)到材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),分子鍵段開(kāi)始送動(dòng)。繼續(xù)升溫,當(dāng)界面溫度達(dá)到熔化溫度,材料軟化,分子鏈變?yōu)樽杂蓱B(tài),在焊接面相互擴(kuò)散,如圖1.4c所示。界面兩側(cè)的分子鏈都會(huì)相互擴(kuò)散一定的深度,最后,全部的分子鏈會(huì)失去原來(lái)的狀態(tài),發(fā)生相互滲透擴(kuò)散,圖1.4d。

　　熱塑性塑料可以分為無(wú)定型塑料(非結(jié)晶性塑料)與半結(jié)品性塑料。熱塑性塑料對(duì)超聲波的反應(yīng)與是否結(jié)品有很大關(guān)系。非結(jié)品性塑料表現(xiàn)更多的彈性,而結(jié)晶性塑料表現(xiàn)為黏滯性[17]。非結(jié)晶性塑料的(如ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯等)分子鏈在隨機(jī)分布。當(dāng)非結(jié)晶塑料加熱高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度后,分子鍵才開(kāi)始運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,材料軟化。非結(jié)品性塑料固態(tài)時(shí)是剛性的,對(duì)超聲波的耗散作用小,因此非結(jié)品性塑料即可用于近場(chǎng)焊接也可用于遠(yuǎn)場(chǎng)焊接。因?yàn)榉墙Y(jié)晶性塑料沒(méi)有固定的熔點(diǎn),在較寬的溫度范國(guó)內(nèi)都可以發(fā)生熔化,所以在焊接時(shí)需要的能量較少[18]。但是非結(jié)晶性材料的強(qiáng)度較結(jié)品性塑料低,在結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面受到限制。

　半結(jié)晶性塑料(如尼龍、聚乙烯、聚丙烯等)的分子一部分排列規(guī)則,有很高的熔點(diǎn)和再凝固點(diǎn),固體狀態(tài)下這些分子像彈簧一樣吸收超聲波的機(jī)械振動(dòng),而不是將超聲波傳遞至焊接面。當(dāng)溫度達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度時(shí),半結(jié)品型塑料也會(huì)軟化。當(dāng)溫度繼續(xù)上升,材料還不會(huì)流動(dòng),只有當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí),才會(huì)發(fā)生流動(dòng)。所以結(jié)品性塑料較難于進(jìn)行超聲波焊接。

     Benatar等人發(fā)現(xiàn)非結(jié)晶和半結(jié)晶性塑料都可以通過(guò)近場(chǎng)焊接的方式焊接成功[13],但是只有非結(jié)晶性塑料能夠在遠(yuǎn)場(chǎng)焊接的方式焊接[141,而且非結(jié)品性塑料的焊接強(qiáng)度也較高。在最高的焊接溫度下,焊接的強(qiáng)度能夠達(dá)到最大。將最高的焊接溫度定義為對(duì)材料應(yīng)用特性不發(fā)生損害的最高溫度。為了得到較高的焊接強(qiáng)度而不損害材料的性能,一般要求對(duì)非結(jié)晶性塑料焊接溫度不超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的75%,對(duì)半結(jié)晶性塑料焊接溫度不超過(guò)熔點(diǎn)的75%[19]。

　　　在熱塑性塑料中加入碳纖維通常能提高材料的強(qiáng)度和剛度,由于碳纖維的密度較小并不會(huì)增加復(fù)合材料的密度。然而,碳纖維含量高的熱塑性復(fù)合材料的導(dǎo)-熱性、導(dǎo)電性都會(huì)提高。男外,碳纖維含量的提高會(huì)減少焊接過(guò)程中塑料熔化的量,同時(shí)也會(huì)減少超聲后重新凝固塑料的數(shù)量,而這會(huì)影響材料的焊接質(zhì)量[2o]。