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                  PlasticWelding | 熱塑性復合材料的超聲焊接

                  2023-06-05 11:25:06

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                  Elium是一種液態的熱塑性樹脂,用于制造復合材料的零件。它的機械性能類似于熱固性塑料,加工又類似于熱塑性塑料,即可熱成形,因此可回收利用,通過超聲波焊接進行連接。


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                  這個剎車踏板是由纖維增強型PA6制成。


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                  上圖的側面碰撞門梁是由玻璃纖維增強型的PA6.6熱塑性塑料制成,比超高強度鋼制成的相同部件輕60%。


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                  以上所有航空部件均由碳纖維增強PEEK制成。通過超聲波點焊,將鉸鏈hinges與C型框架連接。

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                  導能筋(EnergyDirector)的大小和形狀會影響焊接質量。導能筋可以是半圓形、三角形或平面。由于“純”樹脂和纖維增強型復合材料之間的剛度差異,平的導能筋可以用在焊接復合材料上。


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                  超聲波焊接用來連接熱塑性復合材料。


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                  增強型復合材料通過纖維增加樹脂剛度,來改善超聲波傳導能力,提高復合材料的可焊性。但是,過多纖維會降低接頭界面處的樹脂含量,從而降低焊接強度。





                  常見連接方法





                  制造大型的單一復合部件,如汽車車身或飛機機身,需要一個大型而復雜的模具,因此這個過程會非常昂貴。替代的可選方案,是通過使用各種連接技術組裝一系列較小的零部件,以更低的成本制造這樣復雜的部件。


                  最常見的連接方法最緊固件連接,例如螺絲。使用緊固件的優點:不需要表面處理,易于檢查,必要時可將部件拆卸。然而,緊固件有幾個缺點:零件螺絲孔引起的應力集中;增加了結構的重量;螺絲價格相對昂貴,例如復合材料飛機上緊固件占結構總成本的19% ~ 42%。


                  粘接是另一種選擇。近年來,膠粘劑在強度、疲勞壽命和剛度方面的性能有了很大的提高。膠粘劑的主要優點是能粘接不同的材料,也提供更均勻的應力分布。另一方面,膠粘劑需要大量的時間進行表面準備和固化,而且粘接接頭不能拆卸。


                  混合接頭使用粘合劑和機械緊固件提供了兩者最佳的性能,具有良好的承重能力和疲勞壽命。但是仍需要大量的勞動力和較長的連接時間。


                  焊接是第三種選擇。熱塑性塑料因其加熱熔化、加壓改變形狀的特性,所以適合于焊接。波音公司進行的一項研究發現,焊接復合材料機翼結構所需的勞動力成本比使用螺紋緊固件少了61%。


                  焊接熱塑性塑料的一種方法是電阻焊(Resistance Welding)。在這種方法中,將導電材料的導線或編織物放置在接合界面中。當電流通過時,電阻產生的熱量熔化周圍的聚合物,形成焊縫。鋼絲或編織物保留在接頭上,影響焊接強度。這種技術的優點是可以焊接大型和復雜的接頭。缺點是導電材料增加了成本。


                  另一個選擇是感應焊接(Induction Welding)。在這個過程中,感應線圈沿著焊縫移動。線圈在導電碳復合材料層板中產生渦流,產生的熱量熔化聚合物。





                  超聲波的優點和局限性





                  第三種選擇是超聲波焊接。這個過程有很多好處:

                  ?超聲波焊接是最快的連接方法,是自動化的理想選擇。

                  ?不需要填充材料??梢赃M行點焊和焊縫焊接。

                  ?表面損傷是最小的,因為熱量是在接合界面產生,而非頂部表面。

                  ?一個干凈的工藝過程,不會產生煙霧或火花。


                  超聲波焊接也有局限性:

                  ?工藝可行性受限于結構和焊縫設計,最大零件厚度或者從表面到焊縫的距離限制在7毫米內(一些剛度較小塑料的最大厚度小于3mm)。超聲波振動很難穿透較厚的零件。

                  ?具有高剛度、硬度和阻尼的材料會阻礙振動轉化為熱能的效率。

                  ?超聲波焊接的工作原理是將機械振動傳遞到接頭界面,因此焊接過程中會產生高頻振動。由于振動循環加載,增加了零件尤其是電子元件疲勞失效的風險。


                  影響塑料可焊性的因素有:分子結構、熔融溫度、流動性、剛度和化學組成。熔融溫度與焊接所需能量成正比。熔融溫度越高,焊接所需的超聲波能量越多。剛度影響能量傳遞,堅硬的材料比柔軟的材料能更好地傳遞振動。熔融溫度、流動性和化學成份,在焊接不同聚合物時起到關鍵作用。比方說,如果一種材料熔融溫度比另一種低,它就會熔化得早,造成粘結不良。為了達到最好的焊接效果,兩種材料之間的熔融溫度差不應超過22℃,并且兩種材料的化學成份相容。


                  水分含量也會影響焊接質量。在100℃時,塑料吸收的水會蒸發,在接頭界面產生多孔缺陷,降低焊接強度。脫模劑、增塑劑和抗沖擊改性劑也會降低樹脂傳遞振動的能力。


                  另一方面,填料可以通過提高材料剛性,來增強某些樹脂傳遞超聲波能量的能力。然而,填充物含量要限制。當使用高達20%的填料有助于傳遞超聲振動,使用更多填料可能導致界面樹脂量不足,從而降低焊接質量。





                  焊縫設計





                  超聲波焊接的焊縫設計有兩種:導能筋設計和剪切縫設計。導能筋是一個突起的三角或者半圓筋??捎糜诿芊庑砸蟮偷男〕叽缌慵?,以及公差較大的中大尺寸零件。對于剪切縫,振動傳播方向平行于焊接界面,界面處的摩擦剪切力產生熱量。當有較高焊接強度或高密封性要求時,使用剪切縫設計。剪切縫設計也適用于半結晶樹脂的焊接。


                  導能筋的作用是通過尖點引導和集中超聲振動,以增加接觸點的粘彈性應力產生的熱量。導能筋大小和形狀會影響焊接質量。導能筋可以是半圓形、三角形或平面。由于"純"聚合物和纖維增強型復合材料之間的剛度差異,扁平的導能筋也可以焊接復合材料。


                  在正確的工藝參數下,熱塑性復合材料的焊接可以不需要導能筋,但是有導能筋總比沒有導能筋要好。有研究表明:連接PA6復合材料時,對比焊接壓力和振動時間參數,導能筋設計對焊接質量更加重要;當焊接碳纖維增強PEEK時,有導能筋的焊接強度要比無導能筋接頭高50%。





                  超聲波焊接參數





                  超聲焊接質量受以下參數影響:振幅、焊接能量、焊接時間、焊接深度,焊接前、焊接中和焊接后壓力,以及保壓時間。


                  焊接質量在很大程度上取決于輸入能量。輸入能量由公式計算:E = F x f x A x t,其中E為輸入能量(焦耳),F為焊接壓力(牛頓),f為頻率(赫茲),A為振幅(微米),t為時間(秒)。


                  有研究表明,焊接強度與總能量輸入密切相關。例如對纖維增強PA6的焊接,當焊接能量從200J增加到1000J時焊接強度增加,但超過1000J時,由于在焊縫中產生氣孔而降低了焊接強度。


                  焊接時間是另一個關鍵參數。例如,碳纖維增強PEEK,其焊接質量隨著焊接時間增加而增加。但是,較長的焊接時間(1.1秒或更長)會在焊縫處產生裂紋和孔隙。


                  振幅也起著重要作用,一般塑料的熔融溫度越高,需要的振幅也就越大。





                  熱塑性塑料的焊接





                  常見應用大多數是用玻璃纖維增強的PP或PA。一致認為焊接時間和振幅對焊接質量影響最大。


                  導能筋或者剪切縫的幾何形狀對焊接質量也有顯著影響。例如,碳纖維增強PEI的超聲波焊接,焊接強度隨著ED的體積增加而增加,但達到一定的體積閾值后,焊縫強度下降。


                  對于碳纖維增強PA66的超聲波焊接。研究人員發現,4mm厚塑料面面焊接,沒有導能筋,焊接時間為2.1秒,焊接壓力為0.15MPa,焊接強度為5200N。


                  對于碳纖維增強PEEK的超聲波焊接。研究人員發現,當采用0.45mm厚的扁平導能筋,焊接強度隨焊接時間的增加而增加。但在最佳時間后,進一步增加焊接時間會導致較大的裂紋和孔洞,焊接強度顯著降低。


                  “綠色”復合材料的超聲波焊接。研究人員利用超聲波焊接技術將竹纖維增強聚乳酸連接在一起。焊接時間為3秒,保持時間為9秒,焊接壓力為0.3Mpa時,焊縫強度達到最大。


                  另一項研究觀察了使用剪切縫設計的玻璃纖維增強PA的超聲焊接。焊接時間0.6秒,焊接壓力為0.4Mpa,保壓時間0.55秒的情況下獲得了最大的接頭強度。


                  焊接前的零件預熱可能對難以連接的塑料有幫助。例如,一項研究觀察了碳纖維增強PA66的超聲波焊接。研究人員發現,在焊接前預熱125℃的零件在拉伸和疲勞試驗中比未預熱的零件表現好30%。預熱降低了復合材料的分解,溫度梯度明顯降低。





                  熱塑性塑料焊接到其它材料





                  許多研究都著眼于將熱塑性復合材料焊接到其它材料上,例如熱固性復合材料、鋁和鋼。


                  由于超聲波焊接依賴于兩種連接材料的熔化,因此熱塑性和熱固性復合材料之間焊接是不可行的。然而,可以將熱固性復合材料焊接到熱塑性薄膜上,如PEEK、PSU/PSF、PPS、PS、PEI和PVB。焊接溫度是影響焊接效果的一個主要因素。焊接時必須注意防止熱固性復合材料的熱降解。盡可能采用短的焊接時間。


                  研究人員還研究了金屬與熱塑性塑料的超聲波焊接。在這種應用中,振動是平行于零件的,而不是垂直的。例如,一項研究將鋁焊接到純ABS上,剪切強度達到2.3Mpa


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