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適合超聲波焊接材料的特性

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超聲波焊接材料的特性

  超聲波焊接的機理是當兩焊件界面的塑料一起達到熔化狀態(tài)時(shí),界面的分子鏈會(huì )打開(kāi)并相互糾纏在一起,冷卻后兩焊件被焊在一起。焊接的機理如圖1.4所示[16]。如圖1.4a所示,在室溫下,分子鏈是固定的并被限制在焊件表面內。圖1.4b隨著(zhù)超聲振動(dòng)傳遞,分子內相互摩擦和兩界面的摩擦產(chǎn)生熱量,當溫度達到材料的玻璃化轉變溫度時(shí),分子鍵段開(kāi)始送動(dòng)。繼續升溫,當界面溫度達到熔化溫度,材料軟化,分子鏈變?yōu)樽杂蓱B(tài),在焊接面相互擴散,如圖1.4c所示。界面兩側的分子鏈都會(huì )相互擴散一定的深度,最后,全部的分子鏈會(huì )失去原來(lái)的狀態(tài),發(fā)生相互滲透擴散,圖1.4d。

超聲波焊接材料的特性

  熱塑性塑料可以分為無(wú)定型塑料(非結晶性塑料)與半結品性塑料。熱塑性塑料對超聲波的反應與是否結品有很大關(guān)系。非結品性塑料表現更多的彈性,而結晶性塑料表現為黏滯性[17]。非結晶性塑料的(如ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯等)分子鏈在隨機分布。當非結晶塑料加熱高于玻璃態(tài)轉變溫度后,分子鍵才開(kāi)始運動(dòng)擴散,材料軟化。非結品性塑料固態(tài)時(shí)是剛性的,對超聲波的耗散作用小,因此非結品性塑料即可用于近場(chǎng)焊接也可用于遠場(chǎng)焊接。因為非結晶性塑料沒(méi)有固定的熔點(diǎn),在較寬的溫度范國內都可以發(fā)生熔化,所以在焊接時(shí)需要的能量較少[18]。但是非結晶性材料的強度較結品性塑料低,在結構應用方面受到限制。

 半結晶性塑料(如尼龍、聚乙烯、聚丙烯等)的分子一部分排列規則,有很高的熔點(diǎn)和再凝固點(diǎn),固體狀態(tài)下這些分子像彈簧一樣吸收超聲波的機械振動(dòng),而不是將超聲波傳遞至焊接面。當溫度達到玻璃態(tài)轉變溫度時(shí),半結品型塑料也會(huì )軟化。當溫度繼續上升,材料還不會(huì )流動(dòng),只有當溫度達到熔點(diǎn)時(shí),才會(huì )發(fā)生流動(dòng)。所以結品性塑料較難于進(jìn)行超聲波焊接。

     Benatar等人發(fā)現非結晶和半結晶性塑料都可以通過(guò)近場(chǎng)焊接的方式焊接成功[13],但是只有非結晶性塑料能夠在遠場(chǎng)焊接的方式焊接[141,而且非結品性塑料的焊接強度也較高。在最高的焊接溫度下,焊接的強度能夠達到最大。將最高的焊接溫度定義為對材料應用特性不發(fā)生損害的最高溫度。為了得到較高的焊接強度而不損害材料的性能,一般要求對非結晶性塑料焊接溫度不超過(guò)玻璃化轉變溫度的75%,對半結晶性塑料焊接溫度不超過(guò)熔點(diǎn)的75%[19]。

   在熱塑性塑料中加入碳纖維通常能提高材料的強度和剛度,由于碳纖維的密度較小并不會(huì )增加復合材料的密度。然而,碳纖維含量高的熱塑性復合材料的導-熱性、導電性都會(huì )提高。男外,碳纖維含量的提高會(huì )減少焊接過(guò)程中塑料熔化的量,同時(shí)也會(huì )減少超聲后重新凝固塑料的數量,而這會(huì )影響材料的焊接質(zhì)量[2o]。

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