1、櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧毥毥毥毥塑料焊接技术连载 ( 一 )塑料超声波焊接技术(中)张胜 玉( 广州市特种设备行业协会 )( 上接 塑料 包装 2014 年第 6 期 )4 各种塑料的超声波焊接性塑料 的 性能影响超声波的成功焊接 。塑料的超声波焊接性取决于塑料对超声振动的衰减能力和熔化温度的高低以及物理性能如弹性模量 、抗冲击性 、摩擦系数及导热系数等等 。实验证明 ， 塑料的焊接性 G 正比于弹性模量 E、导热系数 、摩擦系数 ， 反比于塑料的密度 、比热 C、熔点 t ， 如下式表示 : G = KE/Ct ( W/m2K)式中 K 焊 件形状因子 ， 取决于焊件
2、的壁厚 、尺寸大小及焊头的形状尺寸E 塑料的弹性模量 ( GN/m2) 导热 系 数 ( W/mK) 塑料的摩擦系数 塑料的密度 ( kg/ m3)C 比热 ( J/kgK)t 熔点 ( K)通常限定选择特定用途材料的性能是那些使焊接变困难的性能如高的熔点或结晶度 。一般来说 ， 塑料刚性愈大 ， 愈容易焊接 。刚性塑料容易传递超声波能量 ， 而软塑料在能量到达接头区域之前常常衰减能量 。待焊材料的刚性是一个可能受到环境温度和湿度影响的重要性能 。颜料 、脱模剂 、玻璃填料和增强纤维的影响更大 。高分子结构非结晶性塑料有任意的分子结构 ， 在较宽的温度范围内逐渐软化 ， 达到玻璃化转变状态 ，
3、 然后是液体熔化状态 。凝固也是逐步的 ， 避免了过早凝固 。非结晶性塑料能有效地传递超声振动 ， 能够在各种工艺条件下进行焊接 ， 也能比较容易地获得密封接头 。半结晶性塑料的特点是分子结构有序排列 。需高热量破坏这种有序排列 。熔点明显 ， 温度稍稍降低就很快地出现再凝固 。流出接头加热区的熔液因而快速凝固 。固态时半结晶性分子象弹簧一样吸收很大一部分超声振动而不是将其传递到接头界面处 ， 所以必需采用高振幅以产生足够的热量用于焊接 。填料和增强物热塑性塑料中的填料 ( 玻璃 、滑石 、矿物质 ) 可以改善或抑制超声波焊接 。碳酸钙 、高岭土 、滑石 、氢氧化铝 、有机填料 、硅石 、玻璃
4、球 ( 硅灰石 ) 和云母等材料能增加树脂的刚性 ， 在含量达 20% 时能够提高整个材料 ( 尤其是半结晶性塑料 ) 的超声波能量传递性能 。在含量达 35% 时 ， 可能在需可靠气密封接的接头处出现热塑性树脂不足 。填料达 40%时 ， 纤维在接合面处聚集 ， 热塑性材料不足 ， 不能形成牢固的连接 。长纤维在模塑过程中可能产生聚集 ， 造成导能筋可能含有比基体材料更高百分含量的玻璃 。这个问题可以通过使用短纤维玻璃填料加以解决 。在填料含量超过 10% 时 ， 许多填料中的磨料颗粒引起焊头磨损 。推荐使用淬硬钢或涂硬质合金的钛焊头 。也可能需要更高功率的超声波设备在接头处产生足够的热量
5、。添加剂添加剂尽管可以提高母材的综合性能或成形152015 年 第 25 卷 第 1 期 塑 料包装性 ， 但通 常增加获得优质焊接接头的难度 。典 型的添加剂包括 : 增塑剂 、抗冲改性剂 、阻燃剂 、着色剂 、润滑剂 、发泡剂 、回收料 。增塑剂 、高温有机液体或低温熔化体增加塑料的柔性和软度 ， 降低其刚性 。它们降低聚合物内分子间吸引力 ， 影响振动能量的传递 。高度增塑的材料如乙烯树脂是非常差的超声波能量传递介质 。增塑剂通常看作是内用添加剂 ， 但随着时间的推移它们会迁移到表面 ， 使超声波焊接变得几乎不可能 。含金属的增塑剂比美国食品药品管理局 ( FDA) 批准的增塑剂有害作用
6、更大 。抗冲改性剂如橡胶降低材料传递超声振动的能力 ， 需更高的振幅以产生熔化 。抗冲改性剂减少了结合面处的热塑性材料数量 ， 因而也影响材料的焊接性 。阻燃剂 、无机氧化物或卤化有机元素如铝 、锑 、硼 、氯 、溴 、硫 、氮或磷添加到树脂中以抑制燃烧或改变材料的燃烧性能 。在大多数情况下 ， 它们是不可焊的 。阻燃剂可能占材料总重量的 50%或更多 ， 降低了零件中可焊材料量 。焊接这些材料时 ， 有必要采用高功率的设备 、高于通常的振幅和更改接头设计以增加结合面处可焊材料的数量 。颜料对超声波焊接的影响可能相当大 。大多数颜料是无机化合物 ， 所用的浓度一般为 0 5% 2%。大多数着色
7、剂并不抑制超声波能量传递 。但它们会造成结合面处有效可焊材料量减少 。白色颜料中的二氧化钛是无机物 ， 具有化学惰性 。它可充当润滑剂 ， 如果使用含量超过 5%， 会降低可焊性 。炭黑也会阻碍材料的超声波能量传递 。塑料中含着色剂时可能需要变更工艺参数 。如果焊接设备采用未染色零件产生优质焊缝的规范焊接着色零件 ， 着色零件的焊缝质量可能会明显偏低 ( 焊缝强度低 、脆性大 ) 。颜料影响超声波焊接的机理迄今为止还没有得到确认 。颜料的存在似乎影响接头处的发热方式 。通常着色零件焊接时间长于未染色零件的预期时间 ， 藉此可解决焊缝质量低的问题 。焊接时间可能必须增加 50% 或更多 。然而
8、， 较长焊接时间可能会产生不良影响如形成过多的焊接飞边和造成焊头下的损伤 。在打算用超声波焊接必须模塑的着色材料时 ， 建议对模制样品进行试焊以确定其可行性 。在许多商业应用中 ， 焊缝强度和韧度并不是关键要求 。使用并不显著影响超声波焊接的颜料也许是一种可选择的解决方案 。内润滑剂 ( 蜡 、硬脂酸锌 、硬脂酸 、脂肪酸酯 )降低聚合物分子间的摩擦系数 ， 造成发热量减少 。不过 ， 由于它们的浓度很低并且弥散分布在塑料中而不是集中于结合面处 ， 因而通常影响最小 。发泡剂降低树脂传递能量的能力 。依密度的不同 ， 微孔结构中的空洞不同程度地中断能流 ， 减少到达接头区域的能量 。对含有较高
9、或不同含量回收料的待焊材料应仔细加以评估 。为实现最佳焊接有必要控制待焊零件中回收料的质量和数量 。在某些情况下 ， 可能需要 100%的纯净原材料 。脱模剂外脱模剂 ( 硬脂酸锌 、硬脂酸铝 、碳氟化合物 、硅酮 ) 通常喷涂于模腔表面形成便于零件移去的分离涂层 。脱模剂可能会转移到结合面处 ， 降低待焊材料的摩擦系数 ， 影响结合面的发热 ， 阻碍熔化表面的熔合和形成合适的连接 。硅酮的有害影响最大 。外脱模剂有时可用溶剂加以清除 。如果必需用外脱模剂 ， 可涂 、可印级脱模剂并不转移到模制零件上 ， 但阻碍树脂润湿模具表面 ， 这些级别的脱模剂对超声波焊接的有害作用最小 。材料级别不同级
10、别的同种材料可能具有不同的流速和不同的熔点 。一个零件熔化和流动 ， 而另一个不是这样 ， 不会形成连接 。譬如 ， 浇铸级丙烯酸具有更高的分子量和熔点 ， 比注射 、挤压级更脆 ， 因而它们较难焊接在一起 。一般说来 ， 待焊两种材料应具有相似的熔化流动速度 ( 熔化流动速度反映出分子量的大小 ) ， 彼此的熔点差在 22以 内 。要获得最好的结果 ， 应焊接同级树脂 。水分材 料中的水分含量影响焊缝强度 。吸湿材料如聚酯 、聚碳酸酯 、聚砜 ， 尤其是尼龙从空气中吸收水分 。焊接时吸收的水分在 100会沸腾 ， 残存气体会产生气孔及可能降解结合面处的塑料 ， 造成外观变差 、结合不良及难以
11、获得气密封接 。为获得最佳效果 ， 这些材料应在模制后立即进行焊接 。如果这样不可行 ， 零件应储存在乙烯包装袋25 塑料 包 装 2015 年 第 25 卷 第 1 期中保 持 铸态干燥 。焊前可用专用烘箱干燥零件 ，但必须注意避免材料降解 。同种材料的焊接聚苯乙烯 、SAN、ABS、聚碳酸酯和丙烯酸塑料通常能获得优良的结果 ， PVC 和纤维素塑料易于衰减能量 ， 在表面处变形或降解 。如果焊头位置靠近接头区域 ( 近场焊接 ) ， 低模量材料如聚乙烯通常也是可焊的 。各种热塑性塑料超声波焊接相容性见下表 1:表 1 各种热塑性塑料的超声波焊接性材料焊 缝 强度百分数点焊 铆接与埋植 成型
12、焊接近场 焊 远场焊通用 塑 料ABS 95 100 + 优 优 良 优 良未填充的聚苯乙烯 95 100 + 优 优 一 般 优 优结构泡沫 ( 苯乙烯 ) 90 100 优 优 一 般 良 差橡胶改性聚苯乙烯 95 100 优 优 良 优 良 差玻璃 填 充 ( 达 30%) 聚苯乙烯 95 100 + 优 优 一 般 优 优SAN 95 100 + 优 优 一 般 优 优工程 塑 料ABS 95 100 + 优 优 良 优 良ABS 聚碳酸酯 ( Cycoloy 800) 95 100 + 优 优 良 优 良ABS PVC( Cycovin) 95 100 + 优 优 良 良 一 般乙缩
13、醛 65 70 良 优 差 良 良丙 烯 酸 95 100 + 良 优 差 优 良丙烯酸类多元聚合物 ( XT 聚 合物 ) 95 100 优 优 良 优 良丙 烯 酸 PVC( Kydex) 95 100 + 优 优 良 良 一 般ASA( 丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯共聚物 )95 100 + 优 优 良 优 良甲基 戊烯 90 100 + 优 优 良 良 一 般改性聚苯醚 ( Noryl) 95 100 + 优 优 一般 差 良 优 良尼龙 90 100 + 优 优 一般 差 良 一 般热塑性聚酯 90 100 + 良 良 一 般 良 一般苯氧基树脂 90 100 良 优 良 良 良 一般聚 芳
14、 砜 95 100 + 良 优 良 优 良聚 碳 酸酯 95 100 + 优 优 良 一般 优 优聚 酰亚胺 80 90 一般 良 差 良 一般聚苯醚 95 100 + 优 良 一般 差 良 良 一般聚 砜 95 100 + 优 优 一般 良 良 一般大量低成本应用塑料352015 年 第 25 卷 第 1 期 塑 料包装丁酸 酯 90 100 良 良 一般 良 差 差纤 维素塑料 90 100 良 良 一般 良 差 差聚 乙烯 90 100 优 优 良 良 差 一般 差聚丙 烯 90 100 优 优 良 良 差 一般 差结构 泡 沫 ( 聚烯烃 ) 85 100 优 优 一般 良 一般 差乙
15、烯 树 脂 40 100 良 良 一般 良 一般 差 一般 差异种材料的焊接在焊接异种材 料 时 ， 两材料之间的熔 点差不应超过 22， 分子结构应相似 。对于熔点差异较大的情况 ， 低熔点材料熔化和流动 ， 阻止足够的热生成量熔化高熔点材料 。例如 ， 高温丙烯酸同低温丙烯酸相焊 ， 导能筋铸在高温零件上 ， 低温零件在导能筋之前熔化和流动 ， 连接强度会很差 。只有具有相似分子团的化学相容材料才能进行焊接 。相容性仅仅存在于某些非结晶性塑料或含有非结晶性塑料的混合物中 。典型的例子如 ABS 与丙烯酸 ， PC 与丙烯酸 、聚苯乙烯与改性聚苯醚 。半结晶性聚丙烯与聚乙烯有很多相同的物理性
16、质 ， 但化学不相容 ， 不能进行超声波焊接 。下表列出了部分热塑性塑料的超声波焊接相容性 。表 2 各种塑料的超声波焊接相容性非结 晶 性塑料ABSABS/聚碳酸酯丙烯酸丙烯酸类多元聚合物丁苯聚苯醚聚酰胺酰亚胺聚芳酯聚碳酸酯聚醚酰亚胺聚醚砜通用聚苯乙烯橡胶改性聚苯乙烯聚砜硬质聚氯乙烯SANNASASAXenoyPBT/聚碳酸酯半结晶性塑料乙缩醛纤维素塑料含氟聚合物离聚物液晶聚合物尼龙聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸丁二醇酯聚醚醚酮PEEK聚乙烯聚甲基戊烯聚苯硫醚聚丙烯ABS ABS/聚碳酸酯 丙 烯酸 丙烯酸类多元聚合物 丁苯 聚 苯 醚 聚酰胺酰亚胺 聚 芳 酯 聚碳 酸 酯 聚醚酰亚胺
17、聚 醚 砜 通用聚 苯乙烯 橡胶改性聚苯乙烯 聚砜 硬质 聚氯乙烯 45 塑料 包 装 2015 年 第 25 卷 第 1 期SAN NAS ASA Xenoy( PBT/聚碳酸酯 ) 半结晶 性塑料乙缩醛 纤维素 塑料 含 氟 聚 合物 离聚物 液晶 聚 合物 尼龙 聚 对苯 二甲酸乙二醇酯 聚对 苯 二甲酸丁二醇酯 聚 醚 醚酮 ( PEEK) 聚 乙烯 聚甲 基 戊烯 聚苯硫 醚 聚 丙烯 注 : 表示 相 容 ; 表示在某些情况下相容 ( 某些等级 、成分 、混合物中 )( 未完待续 : 见本刊 2015 年第 2 期檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
18、檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪)( 上接 第 60 页 )3) 挤出机节能对比 : ( 国家行业标准 ( JB/T 8061 2011) 为 032 kWh/kg)辉隆与同类企业挤出机驱动功率和技术指标比较一览表数据 企 业技 术指标辉隆公司欧美 、日韩等同类企业辉隆公司欧美 、日韩等同 类 企业最大挤出量 kg/h 324 280 500 488螺杆 规 格 mm 90 90 110 115驱动 电 机功率 kw 55 90 90 160最大 螺 杆转速 PM 170 190 170 190名义 比 功率 kWh/kg 0170 0320 0180 0328比流 量 ( kg/h) /( r/min
19、) 202 147 294 257树脂压 力 ( Mpa) 5 13 15 8 15 20注 : 上述最大挤出量是挤出 LDPE 树脂 的 数据 ， 取自同类企业的产品目录汇总 。据了解 ， 此次订购的 3 条辉隆双联双共挤挤出复合生产线 ， 应用辉隆研发新技术 “Amlong”纵向平均厚度 ( MD) 控制系统 、共直流母线驱动和分布式总线控制系统 ， 安姆科 ( Amcor) 惠州 、泰国 、印尼生产基地的验收技术人员都感到非常高兴和表示赞赏 ， 辉隆公司不愧为挤出复合的先行者和领导者 ， 同时期待着辉隆公司不断取得新技术 、新成果 ， 更好为客户创造更多价值 。( 谭艳芬 )552015 年 第 25 卷 第 1 期 塑 料包装
