超聲波塑料焊接設備

20 世紀70 年代，激光開始被應用到塑料焊接上。它的原理是將激光器產(chǎn)生的光束（通常存在于電磁光譜紅外線區(qū)的集束強輻射波）通過反射鏡、透鏡或光纖組成的光路系統(tǒng)，聚焦于待焊接區(qū)域，形成熱作用區(qū)，在熱作用區(qū)中的塑料被軟化熔融，在隨后的凝固過程中，已融化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來，通常用于PMMA 、PC 、ABS 、LDPE 、HDPE 、PVC 、PA6 、PA66 、PS 等透光性好的材料，在熱作用區(qū)添加碳黑等吸收劑增強吸熱效果。塑料激光焊接的優(yōu)點較多：焊接速度快、精度高；自動化、精密數(shù)控容易實現(xiàn)；成本相對較低。因此，塑料激光焊接技術在汽車、醫(yī)療器械、包裝等領域得到了比較廣泛的應用。

除了塑料和塑料之間的焊接，由于汽車工業(yè)和其它工業(yè)輕體結(jié)構和經(jīng)濟效益的需要，有些產(chǎn)品還需要塑料與金屬的混合連接，塑料熱鉚接技術應運而生。這種熱鉚技術工藝簡單，容易實現(xiàn)，安全可靠，使塑料和金屬部件以最佳承擔載荷的方式結(jié)合，產(chǎn)品質(zhì)量減小，經(jīng)濟性提高。在采用鉚焊法時，可以通過把一個整體模制預留的塑料軸銷（鉚樁）加熱軟化再經(jīng)冷模頭沖壓變形后將部件鎖在一起（形成鉚釘帽，“熱樁”），因而更為方便、經(jīng)濟。

隨著工業(yè)生產(chǎn)的需要，塑料焊接技術會得到更加廣泛的應用，也會有技術更為先進、使用更為方便的焊接技術出現(xiàn)。

由于加工工藝等方面的原因，很多結(jié)構復雜的產(chǎn)品不能一次加工成型，需要把多個零部件無縫連接到一起，大體有兩種方法：粘接和焊接。一般來將，粘接工藝生產(chǎn)效率低并且膠粘劑都有一定的毒性，容易引起環(huán)境污染和危害生產(chǎn)人員健康的不良后果。所以，塑料焊接工藝得到了越來越廣泛的應用。

在實際生產(chǎn)過程中，并不是所有的塑料材料都可以進行焊接，能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料，只有分子結(jié)構相同或相近的熱塑性塑料才能進行焊接，在焊接面上是分子間的化學結(jié)合，所以母體材料越相近，焊接效果越好。

我們還需要考慮到影響焊接質(zhì)量的因素才能得到較好的焊接效果。在進行焊接時，壓力、時間、吸熱量（熔融量）是確保焊接質(zhì)量的三要素。

壓力

對焊接表面施加適當?shù)膲毫?，焊接材料將由彈性向塑性過渡，還可以促進了分子相互擴散并擠去焊縫中的殘余空氣，從而增加焊接面密封性能。

時間

要有適當?shù)臒崛蹠r間和足夠的冷卻時間。當熱功率一定時，時間不夠會出現(xiàn)虛焊，時間過長會造成焊件變形，熔渣溢出，有時還會在非焊接部位出現(xiàn)熱斑（變色）。必須保證焊接面吸收足夠的熱量達到充分熔融的狀態(tài)，才能保證分子間充分擴散融合，同時必須保證足夠的冷卻時間使焊縫達到足夠的強度。

熔融量

熱熔時間和熱功率協(xié)調(diào)調(diào)整才會的到最恰當?shù)娜廴诹?，保證足夠的分子間融合，消除虛焊的現(xiàn)象。除了焊接設備和操作人員技能水平外，來之于塑料內(nèi)部或外部的各種因素，對焊接質(zhì)量有一定的影，應當引起重視。

塑料的吸濕性

如果焊接潮濕的塑料制品，內(nèi)含的水分會在受熱后化為蒸汽跑出而在焊面上出現(xiàn)氣泡，使焊接面密封性能減弱。吸濕較為嚴重的材料有PA 、ABS 、PMMA 等。用這些材料做的制品，焊前必須進行干燥處理。

如玻璃纖維、滑石粉、云母等，它們改變了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接質(zhì)量有很大的關系。填充物含量低于20% 的的塑料可以正常進行焊接，不需要進行特殊的處理。填充物含量超過30% 時，由于表面塑料比例不足，分子間融合的不夠，會降低密封性。

焊接面的清潔

焊接表面必須清潔沒有雜質(zhì)，才能保證足夠的焊接強度和氣密性。

在選取正確的可焊接的材料和排除了影響焊接效果的不利因素外，還要根據(jù)材料種類和制品形狀、成本的的高低采取適當?shù)暮附臃椒?。按所采用的加熱軟化方式的不同，塑料焊接方法可分為通過外加熱源軟化、通過機械運動方式軟化、種和通過電磁作用軟化幾種。

通過外加熱源方式軟化的焊接技術有以下幾種：

熱板焊接

可能是最簡單的塑料焊接技術，但這種方式特別適合于需要大面積焊接面的大型塑料件的焊接，一般是用平面電熱板將需焊接的兩平面熔融軟化后迅速移去電熱板合并兩平面并加力至冷卻。這種方法焊接裝置簡單，焊接強度高，制品、焊接部的形狀設計相對來說比較容易。但由熱板產(chǎn)生的熱量使制品軟化，周期較長；熔融的樹脂會粘附到電熱板上且不易清理（電熱板表面涂F4 可減輕這種現(xiàn)象），時間長了形成雜質(zhì)影響粘接強度；需嚴格控制壓力和時間保證適當?shù)娜廴诹?；當不同種類的樹脂或金屬與樹脂相接合時，會出現(xiàn)強度不足的現(xiàn)象。

熱風焊接

當熱風氣流直接吹向接縫區(qū)時，導致接縫區(qū)和與母材同材質(zhì)的填充焊絲熔化。通過填充材料與被焊塑料熔化在一起而形成焊縫。這種焊接方法焊接設備輕巧容易攜帶，但對操作者的焊接技能要求比較高。

熱棒和脈沖焊接

這兩項技術主要用在連接厚度較小的塑料薄膜的焊接。并且這兩種方法相似，都是將兩片薄膜緊壓在一起，利用熱棒或鎳鉻絲產(chǎn)生的瞬間熱量完成焊接。

通過機械運動方式軟化完成焊接的方法有：

按運動軌道可分為直線型和旋轉(zhuǎn)型

直線型可用于直線焊縫的焊接和平面焊接的焊接，旋轉(zhuǎn)型可用于圓形焊縫的焊接。在利用壓力下的兩部分在摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱量使接觸部分的塑料熔融軟化，對正固定直到凝結(jié)牢固。

超聲波焊接

超聲波焊接就是使用高頻機械能軟化或熔化接縫處的熱塑性塑料。被連接部分在壓力作用下固定在一起，然后再經(jīng)過頻率通常為20 或40 千赫的超聲波振動，換能器把大功率振動信號，轉(zhuǎn)換為相應的機械能，施加于所需焊接的塑料件的接觸界面，焊件接合處劇烈摩擦瞬間產(chǎn)生高熱量，從而使分子交替熔合，從而達到焊接效果。

超聲波焊接過程很快，焊接時間不到一秒，并且很容易實現(xiàn)自動化，在電子、電器、汽車零件、塑料玩具、文具用品、日用品、工藝品等各個行業(yè)廣泛應用。

運動方式焊接是一種全自動焊接過程，都需要專用焊接設備。一旦確定了正確的焊接參數(shù)，操作工即可穩(wěn)定生產(chǎn)。其優(yōu)點是：快速、靈活、焊接過程穩(wěn)定且不需焊劑或保護氣體，也不產(chǎn)生有害氣體或熔渣，產(chǎn)品焊接質(zhì)量有保證。

通過電磁作用軟化表面的焊接方法有：

高頻焊接

高頻焊接是利用電磁感應原理高頻感應加熱技術，穿透塑料制品對埋藏于塑料件內(nèi)部的感應體或磁性塑料產(chǎn)生感應加熱，被焊塑料在快速交變電場中可以產(chǎn)生熱量而使需焊接部位迅速軟化熔融，繼而填充接口間隙，并以完善的機械裝置輔助達到完美焊接。產(chǎn)生高頻感應的最為常用的方法是，利用高頻電流通過線圈，從而得到一個強大的高頻磁場。感應體（即發(fā)熱體）一般為鐵、鋁、不銹鋼等材料，但也使用通過添加磁性物質(zhì)加工而成的磁性復合塑料。通過這種方法焊接制作的產(chǎn)品包括文具夾，可充氣物品，防水衣和血袋等等。

紅外線焊接

這項技術類似于電熱板焊接，將需要焊接接的兩部分固定在貼近電熱板的地方但不與電熱板接觸。在熱輻射的作用下，連接部分被熔融，然后移去熱源，將兩部分對接，壓在一起完成焊接。這種方式不產(chǎn)生焊渣、無污染，焊接強度大，主要用于PVDF 、PP 等精度要求很高的管路系統(tǒng)的連接。

激光焊接

超聲波塑料焊接設備由氣壓傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器、換能器及工具頭和機械裝置等組成。

1、氣動傳動系統(tǒng)

包括有：過滹器、減壓閥、油霧器、換向器、節(jié)流閥、氣缸等。

工作時首先由空壓機驅(qū)動沖程氣缸，以帶動超聲換能器振動系統(tǒng)上下移動，動力氣壓在中小功率的超聲波焊接中氣壓根據(jù)焊接需要調(diào)定。

2、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由時間繼電器或集成電路時間定時器組成。主要功能是：一是控制氣壓傳動系統(tǒng)工作，使其焊接時在定時控制下打開氣路閥門，氣缸加壓使焊頭下降，以一定壓力壓住被焊物件，當焊接完后保壓一段時間，然后控制系統(tǒng)將氣路閥門換向，使焊頭回升復位；二是控制超聲波發(fā)生器工作時間，本系統(tǒng)使整個焊接過程實現(xiàn)自動化，操作時只啟動按鈕產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖，便能自動地完在本次焊接全過程。整個控制系統(tǒng)的順序是：電源啟動一觸發(fā)控制信號，氣壓傳動系統(tǒng)，氣缸加壓焊頭下降并壓住焊觸發(fā)超聲發(fā)生器工作，發(fā)射超聲并保持一定焊接時間，去除超聲發(fā)射，繼續(xù)保持一定壓力時間，退壓，焊頭回升，焊接結(jié)束。

3、超聲波發(fā)生器

（1）功率較大的超聲波塑料焊接機，發(fā)生器信號采用鎖相式頻率自動跟蹤電路，使發(fā)生器輸出的頻率基本上與換能器諧振頻率一致。

（2）功率在500W以上的超聲波塑料焊接機所用發(fā)生器采用自激式功率振蕩器，也具有一定的頻率跟蹤能力。

4、超聲波塑料焊接機使用的聲學系統(tǒng)

（1）換能器

超聲波塑料焊接機用的聲學系統(tǒng)包括三個部分：1驅(qū)動部分2固定部分3工作部分。在以上三個組成部分中，驅(qū)動是核心，一般采用螺栓夾緊的縱向振動換能器，其中半波長縱向振子與四分之一的波長縱向振子，半波長縱向振與半波長聚能器相連接組成一個全波長塑料焊接換能器，而四分之一波長縱向振子與四分之一波長聚能器相連，組成一個半波長換能器。

（2）工具頭

對不同的焊接對象需要有不同工具頭，不管是近場焊接還是傳輸焊接，只有半波長的工具頭才能使焊接端面達到最大的振幅。工具頭，有帶振幅放大的和不帶振幅放大的兩種，塑料焊接機用聲學系統(tǒng)工具頭，所用材料通常為鋁合金，其端面鍍硬質(zhì)合金，功率較大時也有用鈦合金材料制成的，該材料疲勞強度比鋁合金高一倍多。

超聲波塑料焊接設備被廣泛應用于醫(yī)械、包裝、汽配、漁具等行業(yè)，對ABS，PP，PE，PO，PC，PS等材質(zhì)，焊接效應，能達到完美的超音波焊接效果。