塑料材料对超声波焊接的影响

2025.03.21

1.超声波在塑料部件中传输,塑料部件不可避免地会吸收和损失超声波能量效果有一定的影响。

塑料一般分为晶体和非晶体材料,根据硬度可以分为硬质塑料、半硬质塑料和软质塑料,以及模量。

一般来说,高硬度、低熔点的塑料超声加工性能优于低硬度、高熔点的塑料。因此,这涉及到超声波加工的问题。

材料与焊头的声阻抗差异过大会导致能量反射。例如,钛合金焊头(声阻抗约27.5 MRayl)与PP(声阻抗约1.8 MRayl)需通过优化接触面设计减少反射。

 

2.塑料零件的加工条件对超声焊接的影响

不同的加工条件和不同的加工形式,如注塑、挤压或吹塑在一定程度上产生超声焊接的影响。

A:湿度缺陷:湿度缺陷一般在条纹或松散塑料零件的生产过程中形成。湿度缺陷在焊接过程中会减少有用能量,使密封位置渗水,延长焊接时间。因此,高湿度塑料零件应在焊接前进行干燥。如聚甲醛等。

B:注塑过程的影响:

注塑过程参数的调整会导致以下缺陷:

①尺寸变化(收缩、弯曲变形)       ②重量变化         表面损伤         统一性不佳

C:保存期:塑料零件注塑加工后,焊接前至少放置24小时,以消除塑料零件本身的应力、变形等因素。无定形塑料注塑塑料零件不符合此要求。

D:再生塑料

再生塑料强度差,对超声焊接适应性差。因此,如果使用再生塑料,应酌情考虑各种设计尺寸。

E:脱模剂和杂质

脱模剂和杂质对超声焊接有一定的影响。

虽然超声波处理可以振动处理表面的溶剂和杂质,但它需要密封或高超声波的工作原理,声波的频率高于人的听觉上限(约2万赫),称为超声波。媒体中超声波的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波的规律没有本质区别。但是超声波的波长很短,只有几厘米,甚至几千分之几毫米。与可听声波相比,超声波具有许多奇怪的特性:

传播特性──超声波的波长很短,通常障碍物的大小是超声波的两倍,所以超声波的衍射能力很差,可以在均匀的介质中直线传播,超声波的波长越短,这个特性就越明显。

功率特性──当声音在空气中传播时,促进空气中颗粒的往复振动,使颗粒工作。声波功率是指声波工作速度的物理量。在相同的强度下,声波的频率越高,功率就越大。与普通声波相比,超声波的功率非常大,因为超声波频率很高。

空化作用──当超声波在液体中传播时,液体颗粒的剧烈振动会在液体中产生小空洞。这些小空洞迅速膨胀和关闭,会对液体颗粒产生猛烈的冲击,从而产生数千到数万个大气压。颗粒之间的强烈相互作用会突然提高液体的温度,起到很好的搅拌作用,乳化两种不溶性液体(如水和油),加速溶质的溶解和化学反应。液体中超声波作用引起的各种效应称为超声波空化作用。

正确的波的物理定义是振动在物体中的传递形成波。

形成这种波必须有两个条件:

一个是振动源,另一个是传播介质。波的分类一般如下:一是根据振动方向和传播方向进行分类。当振动方向垂直于传输方向时,称为横波。当振动方向与传输方向一致时,称为纵波。

二是根据频率分类,我们知道人耳敏感的听觉范围是20Hz-2000Hz,所以这个范围内的波叫声波。低于此范围的波称为次声波,超过此范围的波称为超声波。 波在物体中传播,主要有以下参数:速度V、频率F、波长λ。三者关系如下:V=F.λ。波在同一物质中的传播速度是一定的,因此频率不同,波长也不同。此外,还需要考虑的是,波在物体中的传播总是衰减。传播距离越远,能量衰减越严重,这也属于超声波处理中的考虑范围。

 

案例

汽车PP保险杠焊接:因高结晶度,采用频率15kHz、振幅70μm、压力3bar,焊接时间1.2秒,并设计十字形导能筋。

医疗ABS外壳焊接:因洁净度要求,采用无脱模剂模具,焊接前等离子清洗,参数为20kHz、振幅40μm、时间0.8秒。

 

通过综合考虑材料特性和加工条件,可显著提升超声波焊接的一致性和强度,减少废品率(典型优化后废品率可从15%降至3%以下)。