超声波焊接工艺参数的设定

超声波焊接工艺参数的设定

超声波焊接的工艺参数设定包括超声波焊接功率、超声波频率、超声波振幅、超声波焊接压力、超声波焊接时间等。

l. 超声波的频率

超声波焊接的工作频率通常在15-40kHz,对低频反应较差的材料,如PvC、PE等可以使用高频进行焊接,这可以减少对材料的损坏。高频的超声波能量传递集中,对于一些精细的零部件可以使用高频的超声波进行焊接。超声波焊接时,由于负载的变化会造成超声波设备的失谐现象,使焊接强度下强。一般情况下,焊接机的工作频率确定后,需要保持声学系保持谐振。下面的方程可以描述超声波的功率:

P=µSnv=-2Aω/π=4usaf

式中P超声功率;F静压力;S焊点面积;v相对速度;A振幅;µ一摩擦因数;w为角频率;f为振动频率。

2.超声波振幅

在较大的工作频率和振幅下进行焊接,可以减少焊接时问,提高工作效率。对于不同的材料都存在一个最佳的焊接振幅如表l所示。超声波焊接20µm的振幅较小,通常建议使用40µm 的振幅,因为过大的振幅常会使超声波电源疲劳损坏,所以超声波的振幅要求与超声波电源匹配一致。

3. 超声波焊接时间

焊接时间指焊接过程中发出超声波能量的时间。焊接时间过短,能量不够,并不能造成可靠的焊接结。随着焊接时间的增加,能使焊件吸收更多的能量,焊接面的温度会提高,焊合面积也会增大,焊接熔深增加,这样焊接强度也会增加[22-24]。然而,过长的焊接时间,会导致焊接位置材料熔化过多并造成较多的溢料。这些熔料在焊合区域流动是有方向性的,所以过多的熔料流动会造成强度的下降。另外,过长的焊接时间会造成焊件温度过高,造成焊件烧化和降解,使焊件表面造成焊痕,造成过焊,使强度下降。焊接时间过长,能量过多会造成熔化层温度过高,被焊塑料变色、分解、脆化;而且焊接边缘应力集中,焊接表面出现压痕。所以为了得到较高的焊接强度,必须要选择合适的超声波焊接时间,过短和过长都会造成焊接强度的下降。

4. 超声波焊接压力

超声波焊接压力是指焊接过程中,焊头施加到焊件上的静压力,通过静压力的施加向焊件传递超声波能量。在超声波焊接中,当焊接时间一定时,压力关系着焊接面形成适合的接触,对强度一个十分关键的因素。在一定压力范围内,随着压力的增加,焊接的强度会提高。焊接压力较低时,焊件接触不好,摩擦能不能有效的产生,超声波的能量利用率低。较低的压力会导致焊接部位熔料较少,无法形成有效焊接。但焊接压力过大时,会造成熔料流动过快,熔料从焊接部队流出,减少焊头形成所需的熔料凝固偏少,降低焊接强度。过大的历力会造成摩擦力过大,造成焊件之间的相对摩擦运动减弱,给焊接机造成过大的负载,焊接困难。焊接压力在尼龙66的超声波焊接过程中,对焊接强度的影响很大。稍低的焊接压力能使焊接产生较厚的热影响区,这会使更多的分子链、晶粒、纤维走向垂直于焊接界面,提高焊接强度,这些焊接接头在0.66MPa的焊接压力下,焊接强度能达到尼龙66的70%。焊接压力需要与焊接时间相配合,这样才能获得较佳的焊接度。Matsuoka[27]研究发现对于玻纤维增强热塑性塑料,保持焊接振幅一定时,增加焊接压力可以减少焊接时间。

5. 搭接长度和固定位置

超声波焊接时的搭接长度和夹持固定位置也会影响焊接强度的大小。随着单搭试验搭接长度的提高会降低焊接的强度。当搭接长度增加,会造成焊接部位的应力集中使强度下降。因此为了获得最佳的焊接强度,需要设计较短的搭接长度,并且要根据接头的类型选择恰当的接接长度。在一般情况下,搭接长度往往是固定不变的,为了满足强度需要,搭接较短,焊接面积

小,强度不够;搭接较长,又会造成材料的浪费,设计好搭接长度,改变焊接参数来获得最佳的焊接强度。Qiu等发现焊件被固定的砧座上,夹持点与焊接部位的距离会影响焊接强度。较短的距离有利于增强摩擦产生热量,就更能提高焊接的强度。在实际生产中,焊接件造形多样,固定的夹持位置并不合适,一般要求在焊接过程焊件夹持稳定即可。

6.超声波熔接深度

在焊接过程中,随着焊接位置材料的熔化,焊头位置会持续下降,焊接结束熔化的材料会相互扩散凝固,最后凝固材料的厚度称为熔深,在一般情况下,可以控制焊接过程中焊头的下降位移控制熔深的大小。焊接的强度与焊合部位的微观结构有很大关系,也就与焊接过程中熔层的厚度、焊合部位的温度关系密切。增加焊接压力或焊接时间都会使焊接过程中材料熔化增加并且流动,从而增加熔深[29]。适当的熔深可以使焊接强度增加,但是当熔深过大时,往往需要更多的焊接时间,这将造成的是材料的过焊,使强度下降。不论如何改变焊接压力,时间,都需要证一个合适的熔深,这样才能保证焊接达到较高的强度。

7. 超声波导能筋的影响

在焊接件上设计导能筋,可以集种焊接能量,减小焊接时问,减少焊接部位的应力集中,提高焊接的强度。常见的导能筋,有三角形,矩形和半圆形等形式。在超声波焊接中常使用对接和搭接的方式进行焊接