各種塑料添加劑對超聲波焊接的影響

塑料的特性直接影響超聲波焊接性能

　　塑料的性能影響超聲波的成功焊接。塑料超聲波焊接性取決于塑料對超聲振動的衰減能力和熔化溫度的高低以及物理性能如彈性模量、抗沖擊性、摩擦系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)等。

　實驗證明，塑料的焊接性G正比于彈性模量E、導(dǎo)熱系數(shù)λ、摩擦系數(shù)μ，反比于塑料的密度ρ、比熱容C、熔點t ，

如下式表示：G=K·E·λ·μ/(ρ·C·t) (W/m2·K)式中：

K——焊件形狀因子，取決于焊件的壁厚、尺寸大小及焊頭的形狀尺寸；

E——塑料的彈性模量（GN/m2）；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）；

μ——塑料的摩擦系數(shù)；

ρ——塑料的密度（kg/m3）；

C——比熱（J/kg·K）；

t——熔點（K）。

　通常限定選擇特定用途材料的性能是那些使焊接變困難的性能如高的熔點或結(jié)晶度。一般來說，塑料剛性愈大，愈容易焊接。剛性塑料容易傳遞超聲波能量，而軟塑料在能量到達(dá)接頭區(qū)域之前常常衰減能量。待焊材料的剛性是一個可能受到環(huán)境溫度和濕度影響的重要性能。顏料、脫模劑、玻璃填料和增強纖維的影響更大。

1 高分子塑料結(jié)構(gòu)

　　非結(jié)晶性塑料有任意的分子結(jié)構(gòu)，在較寬的溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變狀態(tài)，然后是液體熔化狀態(tài)。凝固也是逐步的，避免了過早凝固。非結(jié)晶性塑料能有效地傳遞超聲振動，能夠在各種工藝條件下進(jìn)行焊接，也能比較容易地獲得密封接頭。半結(jié)晶性塑料的特點是分子結(jié)構(gòu)有序排列。需高熱量破壞這種有序排列。熔點明顯，溫度稍稍降低就很快地出現(xiàn)再凝固。流出接頭加熱區(qū)的熔液因而快速凝固。固態(tài)時半結(jié)晶性分子象彈簧一樣吸收很大一部分超聲振動而不是其傳遞到接頭界面處，所以必需采用高振幅以產(chǎn)生足夠的熱量用于焊接。

超聲波焊接問題魚骨圖

2 填料和增強物對超聲波焊接的影響

　　熱塑性塑料中的填料（玻璃、滑石、礦物質(zhì)）可以改善或抑制超聲波焊接。碳酸鈣、高嶺土、滑石、氫氧化鋁、有機填料、硅石、玻璃球（硅灰石）和云母等材料能增加樹脂的剛性，在含量達(dá)20%時能夠提高整個材料（尤其是半結(jié)晶性塑料）的超聲波能量傳遞性能。在含量達(dá)35%時，可能在需可靠氣密封接的接頭處出現(xiàn)熱塑性樹脂不足。填料達(dá)40%時，纖維在接合面處聚集，熱塑性材料不足，不能形成牢固的連接。長纖維在模塑過程中可能產(chǎn)生聚集，造成導(dǎo)能筋可能含有比基體材料更高百分含量的玻璃。這個問題可以通過使用短纖維玻璃填料加以解決。在填料含量超過10%時，許多填料中的磨料顆粒引起焊頭磨損。推薦使用淬硬鋼或涂硬質(zhì)合金的鈦焊頭。也可能需要更高功率的超聲波設(shè)備在接頭處產(chǎn)生足夠的熱量。

3   添加劑對超聲波焊接的影響

　　添加劑盡管可以提高母材的綜合性能或成形性，但通常增加獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難度。典型的添加劑包括：增塑劑、抗沖改性劑、阻燃劑、著色劑、潤滑劑、發(fā)泡劑、回收料。增塑劑、高溫有機液體或低溫熔化體增加塑料的柔性和軟度，降低其剛性。它們降低聚合物內(nèi)分子間吸引力，影響振動能量的傳遞。高度增塑的材料如乙烯樹脂是非常差的超聲波能量傳遞介質(zhì)。增塑劑通?？醋魇莾?nèi)用添加劑，但隨著時間的推移它們會遷移到表面，使超聲波焊接變得幾乎不可能。含金屬的增塑劑比美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)的增塑劑有害作用更大。抗沖改性劑如橡膠降低材料傳遞超聲振動的能力，需更高的振幅以產(chǎn)生熔化?？箾_改性劑減少了結(jié)合面處的熱塑性材料數(shù)量，因而也影響材料的焊接性。阻燃劑、無機氧化物或鹵化有機元素如鋁、銻、硼、氯、溴、硫、氮或磷添加到樹脂中以抑制燃燒或改變材料的燃燒性能。在大多數(shù)情況下，它們是不可焊的。阻燃劑可能占材料總重量的50%或更多，降低了零件中可焊材料量。焊接這些材料時，有必要采用高功率的設(shè)備、高于通常的振幅和更改接頭設(shè)計以增加結(jié)合面處可焊材料的數(shù)量。顏料對超聲波焊接的影響可能相當(dāng)大。大多數(shù)顏料是無機化合物，所用的濃度一般為0.5%~2%。大多數(shù)著色劑并不抑制超聲波能量傳遞。但它們會造成結(jié)合面處有效可焊材料量減少。白色顏料中的二氧化鈦是無機物，具有化學(xué)惰性。它可充當(dāng)潤滑劑，如果使用含量超過5%，會降低可焊性。炭黑也會阻礙材料的超聲波能量傳遞。塑料中含著色劑時可能需要變更工藝參數(shù)。如果焊接設(shè)備采用未染色零件產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)焊縫的規(guī)范焊接著色零件，著色零件的焊縫質(zhì)量可能會明顯偏低（焊縫強度低、脆性大）。顏料影響超聲波焊接的機理迄今為止還沒有得到確認(rèn)。顏料的存在似乎影響接頭處的發(fā)熱方式。通常著色零件焊接時間長于未染色零件的預(yù)期時間，藉此可解決焊縫質(zhì)量低的問題。焊接時間可能必須增加50%或更多。然而，較長焊接時間可能會產(chǎn)生不良影響如形成過多的焊接飛邊和造成焊頭下的損傷。在打算用超聲波焊接必須模塑的著色材料時，建議對模制樣品進(jìn)行試焊以確定其可行性。在許多商業(yè)應(yīng)用中，焊縫強度和韌度并不是關(guān)鍵要求。使用并不顯著影響超聲波焊接的顏料也許是一種可選擇的解決方案。內(nèi)潤滑劑（蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸、脂肪酸酯）降低聚合物分子間的摩擦系數(shù)，造成發(fā)熱量減少。不過，由于它們的濃度很低并且彌散分布在塑料中而不是集中于結(jié)合面處，因而通常影響最小。發(fā)泡劑降低樹脂傳遞能量的能力。依密度的不同，微孔結(jié)構(gòu)中的空洞不同程度地中斷能流，減少到達(dá)接頭區(qū)域的能量。對含有較高或不同含量回收料的待焊材料應(yīng)仔細(xì)加以評估。為實現(xiàn)最佳焊接有必要控制待焊零件中回收料的質(zhì)量和數(shù)量。在某些情況下，可能需要100%的純凈原材料。

4   脫模劑對超聲波焊的影響

　　外脫模劑（硬脂酸鋅、硬脂酸鋁、碳氟化合物、硅酮）通常噴涂于模腔表面形成便于零件移去的分離涂層。脫模劑可能會轉(zhuǎn)移到結(jié)合面處，降低待焊材料的摩擦系數(shù)，影響結(jié)合面的發(fā)熱，阻礙熔化表面的熔合和形成合適的連接。硅酮的有害影響最大。外脫模劑有時可用溶劑加以清除。如果必需用外脫模劑，可涂、可印級脫模劑并不轉(zhuǎn)移到模制零件上，但阻礙樹脂潤濕模具表面，這些級別的脫模劑對超聲波焊接的有害作用最小。

5   塑料級別對超聲波焊接的影響

　　不同級別的同種材料可能具有不同的流速和不同的熔點。一個零件熔化和流動，而另一個不是這樣，不會形成連接。譬如，澆鑄級丙烯酸具有更高的分子量和熔點，比注射、擠壓級更脆，因而它們較難焊接在一起。一般說來，待焊兩種材料應(yīng)具有相似的熔化流動速度（熔化流動速度反映出分子量的大小），彼此的熔點差在22℃以內(nèi)。要獲得最好的結(jié)果，應(yīng)焊接同級樹脂。

6   塑料水分含量

　　材料中的水分含量影響超聲焊縫強度。吸濕材料如聚酯、聚碳酸酯、聚砜，尤其是尼龍從空氣中吸收水分。焊接時吸收的水分在100℃會沸騰，殘存氣體會產(chǎn)生氣孔及可能降解結(jié)合面處的塑料，造成外觀變差、結(jié)合不良及難以獲得氣密封接。為獲得最佳效果，這些材料應(yīng)在模制后立即進(jìn)行焊接。如果這樣不可行，零件應(yīng)儲存在乙烯包裝袋中保持鑄態(tài)干燥。焊前可用專用烘箱干燥零件，但必須注意避免材料降解。

7   同種材料的超聲焊接

　　聚苯乙烯、SAN、ABS、聚碳酸酯和丙烯酸塑料通常能獲得優(yōu)良的結(jié)果，PVC和纖維素塑料易于衰減能量，在表面處變形或降解。如果焊頭位置靠近接頭區(qū)域（近場焊接），低模量材料如聚乙烯通常也是可焊的。各種熱塑性塑料超聲波焊接相容性見表1。

8   異種材料的超聲焊接

　　在焊接異種材料時，兩材料之間的熔點差不應(yīng)超過22℃，分子結(jié)構(gòu)應(yīng)相似。對于熔點差異較大的情況，低熔點材料熔化和流動，阻止足夠的熱生成量熔化高熔點材料。例如，高溫丙烯酸同低溫丙烯酸相焊，導(dǎo)能筋鑄在高溫零件上，低溫零件在導(dǎo)能筋之前熔化和流動，連接強度會很差。只有具有相似分子團(tuán)的化學(xué)相容材料才能進(jìn)行焊接。相容性僅僅存在于某些非結(jié)晶性塑料或含有非結(jié)晶性塑料的混合物中。典型的例子如ABS與丙烯酸，PC與丙烯酸、聚苯乙烯與改性聚苯醚。半結(jié)晶性聚丙烯與聚乙烯有很多相同的物理性質(zhì)，但化學(xué)不相容，不能進(jìn)行超聲波焊接。

表2列出了部分熱塑性塑料的超聲波焊接相容性。