PET材質(zhì)無紡布超聲波焊接工藝研究

劉千伍 盧記軍

【摘 要】論文針對(duì)PET材質(zhì)的特點(diǎn)選用超聲波的振幅為26μm，試驗(yàn)的焊點(diǎn)尺寸為6mm圓圈。試驗(yàn)得到，當(dāng)無紡布無拉伸變形時(shí)，單點(diǎn)拉力可達(dá)到24.3N。

【Abstract】According to the characteristics of PET material， the ultrasonic amplitude is 26μm， and the size of the welding spot is a circle of 6mm. The experimental results show that the single point tensile force can reach 24.3Nwhen the non-woven fabric has no tensile deformation.

【關(guān)鍵詞】PET無紡布；焊接；焊接時(shí)間；焊接壓力

【Keywords】PET non-woven fabric； welding； welding time； welding pressure

【中圖分類號(hào)】TG456.9 ；TS173.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）06-0193-04

1 無紡布材料及性能介紹

無紡布（Non-woven fabrics，即非織造布）是一種無須進(jìn)行紡紗織布而成形的布狀材料。目前，針對(duì)無紡布超聲波焊接技術(shù)的大量研究主要集中在焊接過程、焊接工藝參數(shù)、焊接設(shè)備三個(gè)方面，研究的難點(diǎn)集中在對(duì)影響焊接質(zhì)量的各種因素的控制上。本課題通過大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了以下幾點(diǎn)焊接材料和工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律：

1.1 焊接材料對(duì)焊接質(zhì)量的影響

理論上，可用超聲波焊接的塑料，均為熱塑性塑料[1] 。按材料的焊接屬性，可將高分子材料分為：剛性材料，例如聚苯乙烯（PS），聚甲基丙烯酸甲酯（PM-MA），聚酰胺（PA），滌綸（PET）等；柔性材料；高分子薄膜、高分子合成纖維及纖維布。本課題采用的無紡布即為纖維布。

一般來說，塑料的超聲波焊接工藝的好壞與其影響因素的關(guān)系表現(xiàn)為[2]：

K：焊件形狀因子

E：彈性模量

μ：摩擦系數(shù)

λ：材料導(dǎo)熱率

ρ：材料密度

c：比熱容

t：熔點(diǎn)

上述參數(shù)與材料、溫度相關(guān)，作用于焊接過程中影響焊接區(qū)域的溫度、應(yīng)力、變形，直接影響焊接質(zhì)量。

焊接面到焊接頭的距離對(duì)焊接質(zhì)量也有較大影響。材料焊接面與焊接頭的距離為超聲波半波長(zhǎng)時(shí)，焊點(diǎn)的強(qiáng)度最好。超聲波在塑料中主要以縱波的形式傳遞，最大波峰值出現(xiàn)在半波長(zhǎng)處。當(dāng)焊接距離為半波長(zhǎng)時(shí)，超聲波傳遞到焊接面的能量最多。

1.2 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

塑料超聲波焊接的主要工藝參數(shù)包括：振幅、焊接時(shí)間、焊接壓力、保壓時(shí)間、焊點(diǎn)形狀。這些參數(shù)共同決定了焊點(diǎn)的質(zhì)量。

①振幅的影響：塑料的超聲波焊接中，振幅是首要的工藝參數(shù)。材料在對(duì)應(yīng)的超聲波頻率下都有較適宜的振幅范圍。

在合適的振幅范圍內(nèi)，振幅增大利于能量的擴(kuò)散，從而提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度。例如，當(dāng)Sancaktar在40-50μm的振幅范圍內(nèi)，PP材質(zhì)的焊點(diǎn)強(qiáng)度與振幅成正比。振幅對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響，并不完全滿足上述規(guī)律。Benatar研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振幅在1-60μm時(shí)，非晶材料PS、ABS的焊點(diǎn)強(qiáng)度受振幅影響很小；當(dāng)振幅達(dá)到25μm后，半晶材料PE、PP的焊點(diǎn)強(qiáng)度隨振幅加大而加強(qiáng)，而當(dāng)振幅小于25μm時(shí)，則相反。

此外，塑料超聲波焊接所需振幅還與焊接形式和焊接設(shè)備的頻率有關(guān)。鉚接需要的振幅較大，平面焊接需要的振幅較小。本課題的研究屬于平面焊接，故只需較小的振幅。

②焊接時(shí)間的影響：如要得到高強(qiáng)度的焊點(diǎn)，必須選擇合適的焊接時(shí)間。本次實(shí)驗(yàn)表明，在無紡布的超聲波焊接中，焊接時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量有重要影響：焊接時(shí)間不足，材料接觸面不能達(dá)到完全熔融態(tài)，材料不能融合；焊接時(shí)間過長(zhǎng)，焊點(diǎn)發(fā)黑，出現(xiàn)過焊的情況，焊點(diǎn)與非焊點(diǎn)的交界線處，有切斷的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了整體的焊點(diǎn)強(qiáng)度，同時(shí)也是產(chǎn)品外觀不容許的。

③焊接壓力：在其他參數(shù)確定的情況下，較好質(zhì)量的焊點(diǎn)取決于焊接壓力的范圍。

焊接壓力對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接壓力對(duì)熔融區(qū)的厚度尺寸及熔融區(qū)焊接后材料的密度有較大影響：焊接壓力較小時(shí)，熔融區(qū)熱塑后的材料蓬松，有明顯的纖維狀，焊點(diǎn)強(qiáng)度較低；焊接壓力過大時(shí)，熔融區(qū)厚度尺寸很小，焊點(diǎn)過燒，有燒穿的現(xiàn)象，此種焊點(diǎn)無連接強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)證明：焊接總厚度為3.5-5mm的兩層PET無紡布時(shí)，當(dāng)焊接厚度為1.5-2.5mm時(shí)，焊點(diǎn)呈白色，與無紡布顏色一致，半透明狀，焊接區(qū)域無纖維狀，此時(shí)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度最高，焊點(diǎn)外觀最好，此種焊點(diǎn)可達(dá)到焊接的工藝要求及外觀要求。

④保壓時(shí)間、保壓壓力對(duì)焊點(diǎn)的影響：超聲波停止后，焊接區(qū)域由熔融態(tài)開始固化，為使焊件能夠很好的連接在一起，固化過程中需要保持一定的壓力。所需的壓力即為保壓壓力，時(shí)間即為保壓時(shí)間。本課題研究的無紡布的超聲波焊接，由于焊點(diǎn)體積小，固化速度快，保壓壓力、保壓時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量影響可忽略。

⑤焊點(diǎn)形狀對(duì)焊接質(zhì)量的影響：圖2為M公司要求的焊點(diǎn)的尺寸形狀，陰影部分表示焊接區(qū)域：

據(jù)圖2，M公司要求的焊點(diǎn)形狀為圓形，焊點(diǎn)的尺寸為φ6。

實(shí)際上，焊點(diǎn)對(duì)無紡布起到連接作用的是焊接的外輪廓，也就是外圓的周長(zhǎng)，實(shí)際周長(zhǎng)18.8mm，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，此形狀焊點(diǎn)只能在焊接條件很理想的情況下才能達(dá)到焊點(diǎn)的強(qiáng)度要求。如焊接條件稍有偏差，就會(huì)出現(xiàn)焊點(diǎn)強(qiáng)度不足的情況，整體焊點(diǎn)強(qiáng)度的達(dá)標(biāo)率較低。

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在不改變焊接外形及尺寸的情況下，優(yōu)化焊點(diǎn)如圖3的形狀：

上圖優(yōu)化后的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)外形及尺寸保持不變，但實(shí)際的連接長(zhǎng)度32.4mm，

在正常的焊接參數(shù)情況下，可達(dá)到95%的焊點(diǎn)達(dá)標(biāo)率。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

為研究得到合適的焊接參數(shù)，本課題專門設(shè)計(jì)制造了一套如圖4的新焊接實(shí)驗(yàn)裝置，后文中的所有參數(shù)均在此裝置上取得。

該裝置中：

機(jī)架：鍍鋅方管焊接成型，剛度好，實(shí)驗(yàn)中的變形可忽略不計(jì)；

動(dòng)力源：亞德客整套氣動(dòng)源系統(tǒng)，配備精確的調(diào)壓閥和數(shù)顯壓力表，壓力可控制在0.01MPa內(nèi)；

氣缸：亞德客TN16-50S，氣缸效率η=0.75；

焊接桿：套筒式可拆卸結(jié)構(gòu)，方便測(cè)試不同形狀及規(guī)格的焊點(diǎn)；

超聲波設(shè)備：杭州某公司的超聲波發(fā)生器組件，工作頻率20kHz，振幅27-35μm。

實(shí)驗(yàn)參考塑料超聲波焊接的基本原理，從M公司生產(chǎn)過程中焊接的實(shí)際情況出發(fā)，重點(diǎn)測(cè)試焊接壓力與焊接時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，焊接時(shí)間較為重要，它直接影響整個(gè)焊接工序的時(shí)間，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的產(chǎn)能，而焊接壓力是一個(gè)可調(diào)節(jié)量。不同材質(zhì)、不同厚度的無紡布，都可以通過改變焊接壓力來改變焊點(diǎn)的質(zhì)量及效果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

本課題中，為測(cè)試焊接壓力與焊點(diǎn)強(qiáng)度的關(guān)系，共進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)，取得4組數(shù)據(jù)，其焊接時(shí)間分別為0.3s，0.5s，0.7s，0.9s，其相應(yīng)的焊接壓力與焊點(diǎn)強(qiáng)度關(guān)系如圖5所示。

2.3 焊接試樣對(duì)比說明

M公司依據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的焊接品質(zhì)判定如下：

圖中左起依次為：過焊焊點(diǎn)、合格焊點(diǎn)、焊接強(qiáng)度不足焊點(diǎn)

據(jù)M公司要求，焊接效果與單焊點(diǎn)之間的拉力不小于23N。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：焊接時(shí)間為0.7s時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較大的焊接達(dá)標(biāo)區(qū)域。后續(xù)研究將以此數(shù)據(jù)選擇焊接時(shí)間與焊接壓力。

圖7為整機(jī)調(diào)試生產(chǎn)的樣品，調(diào)試生產(chǎn)用的焊接參數(shù)為：焊接時(shí)間0.7s，焊接壓力：0.85MPa。該樣品在焊接強(qiáng)度、焊點(diǎn)間距、產(chǎn)品外觀，均得到M公司的認(rèn)可。其生產(chǎn)效率及良品率，均已接近M公司的要求。后續(xù)的工作將是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，操作方便性的改進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】周玉生，閻久春，盧彤，等.塑料超聲波焊接過程及質(zhì)量研究Ⅲ焊接接頭質(zhì)量影響因素分析[J].材料科學(xué)與工程，1999，7（增刊）：60-62.

【2】侯旭.超聲波塑料焊接工藝參數(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.