从超声波焊接的角度,超声波具有三个非常重要的特性,这三个特性与超声波的焊接密切相关,是超声波焊接过程中发生的诸多现象的根源。理解这三个特性有助于理解超声波焊接的工艺要求,产品设计---从而可以正确的设计超声波焊接结构来满足超声波焊接的工艺要求,提---声波的焊接。
超声波的三个特性、产生的焊接现象、及其对塑胶件结构设计要求如表1所示:
1) 能量大;超声波能够产生的比声波大得多的能量,这是超声波能够对塑胶件件进行焊接的基础,同时这也是超声波焊接强度较高的---原因;正由于其产生---能量的能力,超声波甚至能够进行金属零件的焊接;而在另一个方面,恰恰由于能量大,超声波有可能对焊接界面造成;同时可能对塑胶件其它部位或者塑胶件上已经装配的其它零部件造成损坏。
2) 方向性好,几乎是直线传播;由于超声波的波长很短,衍射效应不---,所以可以近似地认为超声波是沿直线传播,建德振动焊设备,即传播的方向性好,容易得到定向而集中的超声波束。因此,这要求超声波焊头与焊接零件保持足够大的接触面积,---超声波能能够传导到焊接界面。同时,如果在传播方向上存在孔洞等,超声波就难绕过孔洞传导能量,这也是超声波结构设计时需要注意的地方。
3) 衰减性;尽管超声波的穿透能力强,但超声波在物体里传播始终都存在着衰减,传播的距离越远,能量衰减越厉害。另外,在不同的塑料中,超声波能量的衰减程度不一致。例如,在无定形塑料中,如abs,其能量衰减程度较小,两个abs塑胶件即使是远程焊接也能---焊接;在半结晶塑料中,如pa66,超声波能量衰减程度大,超声波传播距离较短,很难---远程焊接的。
大多数焊接方法都可用于异种金属的焊接,但在选择焊接方法及制定工艺措施时,仍应考虑异种金属焊接时的特点。根据母材和焊接接头不同的要求,熔焊、压焊及其他焊接方法在异种金属焊接中都有所应用,但也都各有其优缺点。
1.熔焊
异种金属焊接中应用较多的是熔焊方法,常用的熔焊方法有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。为了减少稀释,降低熔合比或控制不同金属母材的熔化量,通常可选用热源能量密度较高的电子束焊、激光焊等离子弧焊等方法。
为了减小熔深,可以采取间接电弧、摆动焊丝、带状电极、附加不通电焊丝等工艺措施。但无论如何,振动焊设备厂家,只要是熔焊,总有部分母材熔入焊缝而引起稀释,另外,还会形成诸如金属间化合物、共晶体等。为了减轻这类不利影响,必须控制和缩短金属在液态或高温固态下的停留时间。
然而,尽管熔焊方法和工艺措施不断改进和完善,却仍然难以解决所有异种金属焊接时的问题,因为金属种类繁多,性能要求又多种多样,接头形式又各不相同,许多情况下还需要采用压焊或其他的焊接方法来解决特定的异种金属接头的焊接问题。
2.压焊
大多数压焊方法都只将被焊金属加热至塑性状态或甚至不加热,而以施加一定的压力为基本特征。与熔焊相比,在焊接异种金属接头时压焊具有一定的---性,只要接头形式允许,焊接又能满足要求,采用压焊往往是比较合理的选择。
压焊时,异种金属交界表面可以熔化,也可以不熔化,但由于有压力的作用,即使表面有熔化金属存在,也会被挤压而排出(如闪光焊和摩擦焊),只有少数情况下压焊后还保留了曾经熔化的金属(如点焊)。
压焊由于不加热或加热温度低,可以减轻或避免热循环对母材金属性能的不利影响,防止产生脆性的金属间化合物。某些形式的压焊甚至能将已产生的金属间化合物从接头中挤压出去。此外,压焊时也不存在因稀释而引起的焊缝金属性能变化问题。
不过,大多数压焊方法对接头形式是有一定要求的,例如点焊、缝焊、超声波焊必须用搭接接头;摩擦焊时至少有一个工件必须具有旋转体的截面。压焊设备目前也还不普及。这些无疑地都---了压焊的应用范围。
3.其他
除熔焊和压焊外,还有一些可以用于异种金属焊接的方法。例如钎焊就是钎料与母材之间的异种金属焊接方法,不过这里所讨论的则是较特殊的钎焊方法。
有一种方法称作熔焊——钎焊,即对异种金属接头中低熔点母材一侧为熔焊,振动焊设备生产,对高熔点母材—侧为钎焊。而且通常是以低熔点母材相同的金属为钎料。因此,钎料与低熔点母材之间就是同种金属的熔焊过程,不存在特殊困难。钎料与高熔点母材之间则是钎焊过程,母材不发生熔化、结晶,可以避免许多焊接性方面的问题,但要求钎料对母材能---润湿。
另一种方法称作共晶钎焊或共晶扩散钎焊。这是将异种金属接触表面加热到一定温度,使两种金属在接触表面处形成低熔点的共晶体,该低熔点共晶体在此温度下呈液态,实质上成了一种不用外加钎料的钎焊方法。
当然,这要求两种金属之间能够形成低熔点的共晶体。异种金属扩散焊时加入中间层材料,在很低压力下加热使中间层材料熔化,或与被焊金属接触形成低熔点共晶体,此时形成的薄层液体,经一定时间的保温过程,使中间层材料全部扩散到母材中并均匀化,就能形成没有中间材料的异种金属接头。
这类方法在焊接过程中都会出现少量液态金属。因而又被称作液相过渡焊,他们的共同特点就是接头中不存在铸造组织。
塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。热固性塑料可塑但不可逆。次加热时可熔化流动,振动摩擦焊塑料焊接设备,加热到一定温度,产生化学反应,交联固化变硬而形成固体;但这种变化时不可逆的,当重新受热加压时,热固性塑料不能再次熔化。因此,超声波焊接不能焊接热固性塑料。热塑性塑料可塑又可逆;当加热形成固体后,其内部结构仅经历形态的变化,是可逆的;重新加热和加压时,能够重新熔化并再次形成固体。超声波焊接能够焊接大部分的热塑性塑料。
热塑性塑料又分为无定形塑料和半结晶塑料,由于二者的分子结构和排布不同,二者的超声波焊接性能又有所差别。
无定形塑料的分子结构呈随机分布,没有一个明确的熔点tm,其在一个很广泛的温度范围内逐步软化、熔化和流动;而不是一旦加热到某个温度就立即从固体熔化,然后又立即固化。无定形塑料这种特性非常易于传导超声波振动能力,能够在较大的压力和振幅范围内进行超声波焊接。
半结晶塑料的分子结构在局部呈规律性分布,有一个明确的熔点tm,在温度达到熔点之前,半结晶塑料始终保持着固态;当温度达到熔点后,整个分子链---开始运动,并立即固化。无定形塑料和半结晶塑料的熔化过程区别如图所示。
半结晶塑料呈规律性分布的分子结构类似于弹簧,非常容易吸收高频的超声波振动能量,使得能量很难从焊头传导到焊接界面,必须有足够大的超声波能量才能使得半结晶塑料熔化。因此,相对于无定形塑料,半结晶塑料比较难焊接。为了使得半结晶塑料获得较高的焊接,往往需要考虑更多的因素,例如,较高的振幅、合适的焊接界面设计、焊头的接触、焊接的距离以及焊接夹具等。无定形塑料和半结晶塑料的超声波焊接难易程度如表2所示。
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