適合超聲波焊接材料的特性

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時,界面的分子鏈會打開并相互糾纏在一起,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隨著超聲振動傳遞,分子內相互摩擦和兩界面的摩擦產生熱量,當溫度達到材料的玻璃化轉變溫度時,分子鍵段開始送動。繼續升溫,當界面溫度達到熔化溫度,材料軟化,分子鏈變為自由態,在焊接面相互擴散,如圖1.4c所示。界面兩側的分子鏈都會相互擴散一定的深度,最后,全部的分子鏈會失去原來的狀態,發生相互滲透擴散,圖1.4d。

　　熱塑性塑料可以分為無定型塑料(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轉變溫度后,分子鍵才開始運動擴散,材料軟化。非結品性塑料固態時是剛性的,對超聲波的耗散作用小,因此非結品性塑料即可用于近場焊接也可用于遠場焊接。因為非結晶性塑料沒有固定的熔點,在較寬的溫度范國內都可以發生熔化,所以在焊接時需要的能量較少[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,有很高的熔點和再凝固點,固體狀態下這些分子像彈簧一樣吸收超聲波的機械振動,而不是將超聲波傳遞至焊接面。當溫度達到玻璃態轉變溫度時,半結品型塑料也會軟化。當溫度繼續上升,材料還不會流動,只有當溫度達到熔點時,才會發生流動。所以結品性塑料較難于進行超聲波焊接。

     Benatar等人發現非結晶和半結晶性塑料都可以通過近場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玻璃化轉變溫度的75%,對半結晶性塑料焊接溫度不超過熔點的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、導電性都會提高。男外,碳纖維含量的提高會減少焊接過程中塑料熔化的量,同時也會減少超聲后重新凝固塑料的數量,而這會影響材料的焊接質量[2o]。