超声波塑胶焊接机在改性PBT材料焊接的研究

超声波塑胶焊接机在改性PBT材料焊接的研究

随着热塑性塑料及复合材料的广泛应用，超声波塑胶焊接机作为一种有效的连接手段日益受到人们重视。超声波塑焊机是塑料加热连接方法中最有效的焊接方法。但超声波塑焊机热塑性塑料的产品强度一般都比较低，难以满足产品强度要求。PBT作为一种热塑性塑料，具有高耐热性、韧性、耐疲劳性和优良的绝缘性能等。由于PBT成型收缩率大，在1.7%一2.3%，所以在实际PBT材料应用中，为改善其成型工艺，通常添加玻璃纤维添加剂来对其改性。改性后的PBT材料拉伸强度，弯曲强度，热变性温度大幅提高，焊接性能也会随之改变。

  热塑性材料在实际的应用中，通常是改性后的复合性材料，焊接质量会受到各种填料的影响。对改性复合材料的研究是超声波塑焊机材料研究的重要方向，对改性后的聚丙烯进行了超声波塑焊机试验，发现填料对焊接强度的影响各不相同。焊接强度随着每种填料含量的增加而下降。

  目前，国外塑料焊接设备性能优越，但价格昂贵，是国内焊接设备5～10倍。国内塑料焊接设备价格低廉，但控制精度和稳定性差，主要应用于低端产品市场。

  我们通过对该改性PBT产品超声波塑焊机工艺的研究，来开发高性价比的国产化超声波塑焊机设备，并发现波纤比例与PBT材料焊接强度和焊接参数之间的变化规律，制定最佳的焊接工艺参数，提高产品焊接工艺质量。

1试验方案

  某系列焊接产品材料为改性PBT，玻纤比例分为两种，20%和30%。焊线直径为φ70mm。

  焊后产品质量要求熔深控制在0.70～0.85mm，焊接强度≧1 000N。

  由于产品结构，材料特性以及产品焊接质量要求，使得焊接时对焊接设备和工艺参数的要求非常高。设备选型时频率需20kHz，功率需达到2500W，焊接振幅要求控制在60~125μm ,并具备熔深控制功能和焊接气压分段控制功能。根据生产现状，选用两组玻纤含量不同的PBT焊接零件:两组焊件形状结构尺寸一致，焊线设计为尖角环形结构焊线直径φ70mm ,  A组样品:玻纤含量20%;  B组样品:玻纤含量30%。

  超声波塑焊机设备选型:20kHz ,  3 000W。

  焊接模式选用熔深模式。

 PBT焊接振幅通常在60～125μm，焊头设计的最大振幅为88μm。

  故验证时使用的振幅范围在70%～100%。

验证分析焊接压力对焊接强度的影响

  实际焊接过程中发现，焊接压力在低于400N时，焊接时间过长，焊接强度低，焊接压力在大于1500N时，焊接时间过短，产生虚焊导致焊接强度低，故在我们中的验证压力范围在400～1500N。

  焊接参数设计如下。

 (1)选用A组样品焊接过程中压力不变。

  焊接参数设定:选用低压焊接和高压焊接。

  ①低压焊接压力F=500N

  低压焊接压力曲线图如图1所示。

  振幅A=88x85%=75μm;

  焊接熔深D=0.65mm;

  保持时间HT=0.5s。

  测试样品实际熔深范围0.73～0.78mm。

  测试样品拉拔力数据如表1。

  ②高压焊接压力F=1500N

  焊接压力曲线图如图2所示。

  振幅A=88x85%=75μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持时间HT=0.5s。

  测试样品实际熔深范围0.72～0.78mm.

  测试样品拉拔力数据如表2。

  在较高的焊接压力下，焊接线受挤压压重而下陷，失去了焊接效果，形成塑料零件面与面的强迫焊接，而非三角形点的导引焊接，所以产生焊接假象，实际拉拔力较小。

 (2)  A组样品焊接过程中改变压力。

   F1=500N，F2=1500N。

焊接压力曲线如图3所示。

振幅A=88x85%=75μm;

熔深D=0.65mm;

保持时间HT=0.5s。

测试样品实际熔深范围0.74一0.79mm.

测试样品拉拔力数据如表3。

  根据拉拔力的测试数据发现，焊接过程改变气压，对焊接强度有明显的提高，拉拔力均值提高了一倍。

  这说明焊接过程中压力对焊接强度的影响非常明显，随焊接深度的不断增加，焊线渐渐趋于扁平，熔接需要更大的能量来使焊料熔化，压力随焊接深度的加深而不断地增加，会有效改善熔化膜形态变化过程，提高焊接强度。

1.2验证分析玻纤比例对改性PBT焊接工艺的影响

 (1)玻纤比例对焊接压力的影响。

  选用两组典型的焊接压力参数，分为焊接低压参数和焊接高压参数，对A,  B两组样品进行焊接试验。

  焊接压力曲线图如图4所示。

  振幅A=88x85%=75μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持时间HT=0.5s。

 1)对A组(玻纤含量20%)样品设置不同的焊接压力参数进行试验。

  A组(20%玻纤)样品在低压和高压下的样品测试数据如下:

  低压参数曲线下的测试样品实际熔深范围0.74～0.80mm。

  低压拉拔力数据如表4。

  高压参数曲线下的测试样品实际熔深范围0.76～0.81mm。

  高压拉拔力数据如表5。

  从测试数据分析，A组样品(玻纤比例20% )，焊接压力小时焊接强度较大。这表明在低压参数曲线下，材料熔接效果好;而在高压参数曲线下，材料更容易被压溃，熔接时间变短，导致熔接强度反而下降。

 2)对B组(玻纤含量30%)样品设置不同的焊接压力参数进行试验。

  低压测试样品实际熔深范围0.76～0.82mm，低压拉拔力数据如表6。高压测试样品实际熔深范围0.76～0.81mm，高压拉拔力数据如表7。

  从测试数据分析，B组样品(玻纤比例30% )，焊接压力大时焊接强度较大。这表明在高压参数曲线下焊接，B样品材料熔接效果好，PBT融合区分子结构未受损。

  综合分析A,  B两组样品，玻纤含量比例升高，PBT材料硬度相对加大，焊接压力升高，会提高焊接强度。

  B组低压样品，焊接时间在0.7～0.8s之间，产生热量过大，引起融合区溢料显著，焊接强度反而降低。

 (2)玻纤比例对焊接振幅的影响

  玻纤含量高的PBT材料，硬度大，焊接性好，同时熔接时需熔接热量相对较少;玻纤含量低的PBT材料，材料硬度低，而熔接时需熔接热量相对较多。因此玻纤含量改变时，焊接振幅应随之有相应的变化。

  基于以上试验数据分析，A组玻纤含量低的PBT材料，适合选用相对较小的焊接压力。

  在此选用焊接低压参数曲线，匹配不同焊接振幅，进行焊接试验。

  B组玻纤含量高，适合选用相对较大的焊接压力，在此选用焊接高压参数曲线，匹配不同焊接振幅8s% ,  100% ,进行焊接试验。

 1) A组样品试验

  ①A组振幅A=88×85%=7sμm;

  熔深D=0.65mm;

  保持时间HT=0.5s。

  压力曲线参看图4。

  A组焊接低压样品拉拔力测试数据参看表4。

  ②A组振幅a=88×100%=88μm;

  熔深D=0.6smm;

保持时间HT=0.5s。

压力曲线参看图4.

A组焊接低压样品测试数据如下:

高压测试样品实际熔深范围0.76～0.83mm。

  高压拉拔力数据如表8。

  根据数据分析，A组振幅较大时焊接强度较大;A组玻纤含量较低，熔接时熔接区域熔接时需热量较大，振幅较大时，能产生更多的能量，熔接更充分。

 2) B组样品试验

  ①B组振幅A=88x85%=75μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持时间HT=0.5s。

  压力曲线参看图压力曲线参看图4。

  B组焊接高压样品拉拔力测试数据参看表7。

  ②B组振幅A=88x100%=88μm;

  熔深D=0.65mm;

  保持时间HT=0.5s。

  压力曲线参看图压力曲线参看图4。

  样品测试数据如表9所示。

  高压测试样品实际熔深范围0.76～0.79mm。

  根据数据分析，B组振幅较小时焊接强度较大;B组玻纤含量较高，熔接时熔接区域熔接时需热量较小，振幅较大时，产生热量过多，高压下融合区溢料显著，焊接强度反而降低。

2试验结果分析

  按照设计的焊接压力，对比试验焊接强度的数据来看，PBT材料需要在一定的焊接压力范围内，才能有效焊接。同时焊接过程中，恒定的焊接压力，焊接效果不佳，压力随熔深的改变而改变，才能保证焊接质量。

  同时PBT中玻纤含量的比例，对焊接参数的影响很大，焊接压力和振幅要随之变化而作相应的调整。

  从试验焊接拉拔力数据来看:

 (1) A组(玻纤含量20%) PBT产品，在振幅A=88μm，低压焊接压力曲线下(F: 400N一>700N)，拉拔力均值达1376.9N≧1000N，最小试验值为1144N≧1000N，满足产品的焊接质量要求。

 (2)  B组(玻纤含量30%)  PBT产品，在振幅A=75μm，低压焊接压力曲线下(F: 650N一>1 250N )，拉拔力均值达1 582.2N≧1 000N，最小试验值为1 244N≧1 000N，亦满足产品的焊接质量要求。

  通过试验数据，得出以下规律和结论。

 (1)  PBT焊接质量受焊接压力的影响，焊接过程中压力随熔深的增加而不断增加，能有效改善焊接强度。

 (2)  PBT焊接要在一定的焊接压力范围内，才能进行有效的焊接。我们中，焊线直径φ70mm，焊接压力控制在400~1500N之间比较理想。

 (3)改性PBT中玻纤比例20%，焊接压力应相对减小，振幅相对加大，会有效改善焊接质量。建议焊接压力控制在400~800N，焊接振幅控制在75~80μm之间，焊接质量较佳。

 (4)改性PBT中玻纤比例30%，焊接压力应相对加大，振幅相对减小，会有效改善焊接质量。建议焊接压力控制在650~1500N，焊接振幅控制在80~88μm之间，焊接质量较佳。