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超聲波塑膠焊接機在改性PBT材料焊接的研究

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發表時間:2016-09-25 11:43作者:深圳恒力信來源:深圳恒力信超聲波設備有限公司網站網址:http://www.playdomination.com
超聲波塑膠焊接機在改性PBT材料焊接的研究
隨著熱塑性塑料及復合材料的廣泛應用,超聲波塑膠焊接機作為一種有效的連接手段日益受到人們重視。超聲波塑焊機是塑料加熱連接方法中最有效的焊接方法。但超聲波塑焊機熱塑性塑料的產品強度一般都比較低,難以滿足產品強度要求。PBT作為一種熱塑性塑料,具有高耐熱性、韌性、耐疲勞性和優良的絕緣性能等。由于PBT成型收縮率大,在1.7%一2.3%,所以在實際PBT材料應用中,為改善其成型工藝,通常添加玻璃纖維添加劑來對其改性。改性后的PBT材料拉伸強度,彎曲強度,熱變性溫度大幅提高,焊接性能也會隨之改變。


  熱塑性材料在實際的應用中,通常是改性后的復合性材料,焊接質量會受到各種填料的影響。對改性復合材料的研究是超聲波塑焊機材料研究的重要方向,對改性后的聚丙烯進行了超聲波塑焊機試驗,發現填料對焊接強度的影響各不相同。焊接強度隨著每種填料含量的增加而下降。

  目前,國外塑料焊接設備性能優越,但價格昂貴,是國內焊接設備5~10倍。國內塑料焊接設備價格低廉,但控制精度和穩定性差,主要應用于低端產品市場。

  我們通過對該改性PBT產品超聲波塑焊機工藝的研究,來開發高性價比的國產化超聲波塑焊機設備,并發現波纖比例與PBT材料焊接強度和焊接參數之間的變化規律,制定最佳的焊接工藝參數,提高產品焊接工藝質量。

1試驗方案

  某系列焊接產品材料為改性PBT,玻纖比例分為兩種,20%和30%。焊線直徑為φ70mm。

  焊后產品質量要求熔深控制在0.70~0.85mm,焊接強度≧1 000N。

  由于產品結構,材料特性以及產品焊接質量要求,使得焊接時對焊接設備和工藝參數的要求非常高。設備選型時頻率需20kHz,功率需達到2500W,焊接振幅要求控制在60~125μm ,并具備熔深控制功能和焊接氣壓分段控制功能。根據生產現狀,選用兩組玻纖含量不同的PBT焊接零件:兩組焊件形狀結構尺寸一致,焊線設計為尖角環形結構焊線直徑φ70mm ,  A組樣品:玻纖含量20%;  B組樣品:玻纖含量30%。

  超聲波塑焊機設備選型:20kHz ,  3 000W。

  焊接模式選用熔深模式。

 PBT焊接振幅通常在60~125μm,焊頭設計的最大振幅為88μm。

  故驗證時使用的振幅范圍在70%~100%。

驗證分析焊接壓力對焊接強度的影響

  實際焊接過程中發現,焊接壓力在低于400N時,焊接時間過長,焊接強度低,焊接壓力在大于1500N時,焊接時間過短,產生虛焊導致焊接強度低,故在我們中的驗證壓力范圍在400~1500N。

  焊接參數設計如下。

 (1)選用A組樣品焊接過程中壓力不變。

  焊接參數設定:選用低壓焊接和高壓焊接。

  ①低壓焊接壓力F=500N

  低壓焊接壓力曲線圖如圖1所示。


  振幅A=88x85%=75μm;

  焊接熔深D=0.65mm;

  保持時間HT=0.5s。

  測試樣品實際熔深范圍0.73~0.78mm。

  測試樣品拉拔力數據如表1。

  ②高壓焊接壓力F=1500N

  焊接壓力曲線圖如圖2所示。


  振幅A=88x85%=75μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持時間HT=0.5s。

  測試樣品實際熔深范圍0.72~0.78mm.

  測試樣品拉拔力數據如表2。

  在較高的焊接壓力下,焊接線受擠壓壓重而下陷,失去了焊接效果,形成塑料零件面與面的強迫焊接,而非三角形點的導引焊接,所以產生焊接假象,實際拉拔力較小。

 (2)  A組樣品焊接過程中改變壓力。

   F1=500N,F2=1500N。

焊接壓力曲線如圖3所示。


振幅A=88x85%=75μm;

熔深D=0.65mm;

保持時間HT=0.5s。

測試樣品實際熔深范圍0.74一0.79mm.

測試樣品拉拔力數據如表3。

  根據拉拔力的測試數據發現,焊接過程改變氣壓,對焊接強度有明顯的提高,拉拔力均值提高了一倍。

  這說明焊接過程中壓力對焊接強度的影響非常明顯,隨焊接深度的不斷增加,焊線漸漸趨于扁平,熔接需要更大的能量來使焊料熔化,壓力隨焊接深度的加深而不斷地增加,會有效改善熔化膜形態變化過程,提高焊接強度。

1.2驗證分析玻纖比例對改性PBT焊接工藝的影響

 (1)玻纖比例對焊接壓力的影響。

  選用兩組典型的焊接壓力參數,分為焊接低壓參數和焊接高壓參數,對A,  B兩組樣品進行焊接試驗。

  焊接壓力曲線圖如圖4所示。


  振幅A=88x85%=75μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持時間HT=0.5s。

 1)對A組(玻纖含量20%)樣品設置不同的焊接壓力參數進行試驗。

  A組(20%玻纖)樣品在低壓和高壓下的樣品測試數據如下:

  低壓參數曲線下的測試樣品實際熔深范圍0.74~0.80mm。

  低壓拉拔力數據如表4。

  高壓參數曲線下的測試樣品實際熔深范圍0.76~0.81mm。

  高壓拉拔力數據如表5。


  從測試數據分析,A組樣品(玻纖比例20% ),焊接壓力小時焊接強度較大。這表明在低壓參數曲線下,材料熔接效果好;而在高壓參數曲線下,材料更容易被壓潰,熔接時間變短,導致熔接強度反而下降。

 2)對B組(玻纖含量30%)樣品設置不同的焊接壓力參數進行試驗。

  低壓測試樣品實際熔深范圍0.76~0.82mm,低壓拉拔力數據如表6。高壓測試樣品實際熔深范圍0.76~0.81mm,高壓拉拔力數據如表7。

  從測試數據分析,B組樣品(玻纖比例30% ),焊接壓力大時焊接強度較大。這表明在高壓參數曲線下焊接,B樣品材料熔接效果好,PBT融合區分子結構未受損。

  綜合分析A,  B兩組樣品,玻纖含量比例升高,PBT材料硬度相對加大,焊接壓力升高,會提高焊接強度。

  B組低壓樣品,焊接時間在0.7~0.8s之間,產生熱量過大,引起融合區溢料顯著,焊接強度反而降低。

 (2)玻纖比例對焊接振幅的影響

  玻纖含量高的PBT材料,硬度大,焊接性好,同時熔接時需熔接熱量相對較少;玻纖含量低的PBT材料,材料硬度低,而熔接時需熔接熱量相對較多。因此玻纖含量改變時,焊接振幅應隨之有相應的變化。

  基于以上試驗數據分析,A組玻纖含量低的PBT材料,適合選用相對較小的焊接壓力。

  在此選用焊接低壓參數曲線,匹配不同焊接振幅,進行焊接試驗。

  B組玻纖含量高,適合選用相對較大的焊接壓力,在此選用焊接高壓參數曲線,匹配不同焊接振幅8s% ,  100% ,進行焊接試驗。

 1) A組樣品試驗

  ①A組振幅A=88×85%=7sμm;

  熔深D=0.65mm;

  保持時間HT=0.5s。

  壓力曲線參看圖4。

  A組焊接低壓樣品拉拔力測試數據參看表4。

  ②A組振幅a=88×100%=88μm;

  熔深D=0.6smm;

保持時間HT=0.5s。

壓力曲線參看圖4.

A組焊接低壓樣品測試數據如下:

高壓測試樣品實際熔深范圍0.76~0.83mm。

  高壓拉拔力數據如表8。


  根據數據分析,A組振幅較大時焊接強度較大;A組玻纖含量較低,熔接時熔接區域熔接時需熱量較大,振幅較大時,能產生更多的能量,熔接更充分。

 2) B組樣品試驗

  ①B組振幅A=88x85%=75μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持時間HT=0.5s。

  壓力曲線參看圖壓力曲線參看圖4。

  B組焊接高壓樣品拉拔力測試數據參看表7。

  ②B組振幅A=88x100%=88μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持時間HT=0.5s。

  壓力曲線參看圖壓力曲線參看圖4。

  樣品測試數據如表9所示。

  高壓測試樣品實際熔深范圍0.76~0.79mm。

  根據數據分析,B組振幅較小時焊接強度較大;B組玻纖含量較高,熔接時熔接區域熔接時需熱量較小,振幅較大時,產生熱量過多,高壓下融合區溢料顯著,焊接強度反而降低。

2試驗結果分析

  按照設計的焊接壓力,對比試驗焊接強度的數據來看,PBT材料需要在一定的焊接壓力范圍內,才能有效焊接。同時焊接過程中,恒定的焊接壓力,焊接效果不佳,壓力隨熔深的改變而改變,才能保證焊接質量。

  同時PBT中玻纖含量的比例,對焊接參數的影響很大,焊接壓力和振幅要隨之變化而作相應的調整。

  從試驗焊接拉拔力數據來看:

 (1) A組(玻纖含量20%) PBT產品,在振幅A=88μm,低壓焊接壓力曲線下(F: 400N一>700N),拉拔力均值達1376.9N≧1000N,最小試驗值為1144N≧1000N,滿足產品的焊接質量要求。

 (2)  B組(玻纖含量30%)  PBT產品,在振幅A=75μm,低壓焊接壓力曲線下(F: 650N一>1 250N ),拉拔力均值達1 582.2N≧1 000N,最小試驗值為1 244N≧1 000N,亦滿足產品的焊接質量要求。

  通過試驗數據,得出以下規律和結論。

 (1)  PBT焊接質量受焊接壓力的影響,焊接過程中壓力隨熔深的增加而不斷增加,能有效改善焊接強度。

 (2)  PBT焊接要在一定的焊接壓力范圍內,才能進行有效的焊接。我們中,焊線直徑φ70mm,焊接壓力控制在400~1500N之間比較理想。

 (3)改性PBT中玻纖比例20%,焊接壓力應相對減小,振幅相對加大,會有效改善焊接質量。建議焊接壓力控制在400~800N,焊接振幅控制在75~80μm之間,焊接質量較佳。

 (4)改性PBT中玻纖比例30%,焊接壓力應相對加大,振幅相對減小,會有效改善焊接質量。建議焊接壓力控制在650~1500N,焊接振幅控制在80~88μm之間,焊接質量較佳。