超声波焊接及法兰式高强度超声波焊接线设计

　　简要介绍了超声波焊接原理，材料性质对焊接性能和接口类型的影响。通过设计实例表明：剪切接口的设计方法适用于高强度、气密性法兰式焊接线，对焊接制件必须进行水压试验，以验证制件质量是否满足使用要求。
　　关键词：超声波塑料焊接机　法兰连接　剪切接口 超声波焊接线

High Strength Joint Design for Flanges and Ultrasonic Welding

Zhao Zinian
(Dept. of Chemical Engineering,Tianjin Institute of Light Industry,300222)

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1　概述

　　法兰(Flange)连接常见于水、气及其它流体输送系统中，气密性是法兰连接应具备的基本条件。对塑料法兰除了可用螺钉、螺栓等机械方法连接外，粘接及焊接是更为方便可靠的连接方法。在塑料部件的装配过程中，超声焊接是一种高效、快速、清洁和应用范围广泛的连接方法。焊接制品重复性好、表观状况优良，并能满足各种密封及连接强度要求。
　　超声波塑料焊接是热熔焊接的形式之一，利用超声波能量焊接热塑性塑料在国外已有40多年的历史。超声波焊接时，在压力作用下电极臂(Horn)将高频机械振动传进塑料部件，塑料质点被超声激发而作快速振动并引起连续交替的受压与解压，在被焊表面之间因振动的捶击和摩擦产生热量，这导致塑料对超声能量产生阻尼作用，接口处塑料开始局部软化。随着阻尼作用进一步加强，加大了超声能量向热的转化比例，接口区域塑料受热熔化而形成融合焊接。当振动停止后，塑件在一定压力作用下保持一段时间予以定形，超声波焊接机的频率一般在15kHz～40kHz的频率范围内.　　   超声波焊接设备主要由高频电流超声波发生器、压电式超声波换能器(PZT)、超声波变幅杆(Booster)和超声波模具组成。为使塑件在焊接过程中准确、高效地接受超声能量作用，用夹具支撑和固定待焊塑件是必要的。

2　塑料性质对焊接结果的影响

　　超声波焊接有近场焊接和远场焊接之分，近场焊接是指塑件接口部分与超声波模具端部的距离在6mm以内，而超过此距离则称为远域焊接。非结晶性硬质塑料，如PC、PS、SAN、ABS和PMMA等，对超声能量通常具有良好的透射率，高频振动能经过较长的距离传输到接口区域，因此这些材料在近域或远域均具有良好的焊接性能。而半结晶性塑料具有较强的消声作用，高频振动传输到如PA、PP、PE和POM这样的半结晶性塑料中，超声波能量很快衰减，因此半结晶性塑料只适合于近域焊接。对于弹性体及软质塑料，由于具有更强的吸音作用，对它们进行超声焊接不是很有效^〔1〕。
　　从能量消耗角度而言，非结晶性塑料没有明确的熔点，塑化所需热量即超声能量较少。随着焊接区域温度的上升，物料由高弹态逐渐向粘流态转变，并且能在较宽温度范围内熔化并逐渐凝固。而半结晶性塑料有确定的熔点并需要较高的熔融热，与非结晶聚合物相比，在焊接过程中需要更高的超声能量和振动振幅^〔3〕。
　　此外，为保证焊接制品质量，应事先对制件的原材料性质及最终性能要求进行充分的考虑，塑料中的一些添加剂如润滑剂、阻燃剂等也会影响材料的焊接性能，在部件设计和焊接参数的调整中对此也要有充分考虑，再结合试验情况正确地进行接口设计，以避免在制件成型后再对模具进行修改。焊接区域的脱模剂、油污也会削弱焊接强度，应及时清洁模腔表面。
　　超声波焊接最适用于硬质非结晶性塑料，连接同种塑料时效果最好。但熔化温度相差在20℃以内，且在化学性质上具有一定相容性的两种塑料，如聚碳酸酯和丙烯酸之间也可进行焊接。表1列出了常用热塑性塑料本身进行焊接时的焊接性能^〔4〕，表中显示，硬质塑料的焊接性能比柔性的好，非结晶性塑料的焊接性能比结晶性的好，并且焊接结晶性塑料时应避免采用远域焊接。

表1　常用热塑性塑料的超声波焊接性能

3　接口设计方法

3．1　焊接接口主要类型
　　正确的接口设计对成功进行超声波焊接非常重要。为取得最佳效果，人们已经开发出多种接口形式，但归结起来主要有三种类型：对接接口、剪切接口和斜接接口，其它形式的接口均是在此基础上改进后的产物。
　　(1)带能量导向楔(Wedge-Shapes Energy Director)的对接接口(Butt Joint)适用于焊接非结晶性塑料，而对半结晶性塑料，其焊接质量欠佳。由于半结晶性塑料在熔融状态的流动温度范围比较窄，能量导向楔在熔化后又会很快固化，难于铺展到整个对接接口表面，导致只能在能量导向楔的附近形成焊缝，焊接强度很低。
　　(2)剪切接口(Shear Joint)是焊接半结晶性塑料最有效的接口形式。在焊接过程中，初期接触的局部物料熔化，然后熔化在两部件过盈部分(Interference)的物料间连续不断地进行，在压力作用下，两部件沿着侧壁套进而连接在一起。这种接口形式同样适用于非结晶性塑料，且最适用于圆柱形部件，并能形成强度很高的气密性焊接。
　　(3)斜接接口(Scarf Joint)也适用于半结晶性塑料，这是因为熔化过程发生在整个接口表面，不涉及熔融塑料的流动。常用于上端是薄壁部件的场合，接口为环形或椭圆形轮廓的部件，以避免在斜接拐角处出现配合及接触问题。
3．2　制品结构与性能要求
　　图1是制件焊接后的结构示意图，待焊塑件的材料为台湾奇美产Polylac ABS，牌号为PA-747。滚动隔膜(Rolling Diaphragm)由纤维织物与橡胶复合制成，由它分隔的A腔要求密封，在使用过程中长期承受0.4MPa的水压力作用。

图1　制件焊接后的结构示意图

3．3　确定接口类型和设计尺寸
　　如图1所示，待焊接制件的结合部分属法兰连接形式，在焊接过程中两制件逐渐压紧滚动隔膜的凸缘起到密封作用，并保证焊缝的气密性。剪切接口的设计是形成高强度气密性焊接的首选方式，用剪切接口焊接后形成的接合面与制件受力方向平行，其连接强度与搭接长度即焊接深度有关，并可按承载要求调整焊接深度，待焊部件及接口部分放大图分列于图2和图3。由于剪切接口采用过盈配合，为保证在焊接时两个部件的接口轮廓同轴心，应在两部件间设置定位台，并在定位台区域两部件取间隙配合。为使焊接强度达到或超过制件侧壁本身的强度，焊接深度建议取侧壁厚度的1～1.5倍，表2提供了圆柱形剪切接口的推荐尺寸^〔4〕。

图2　待焊接部件

图3　接口部分放大图(比例8∶1)

　　定位台直径=51.6mm，配合公差为-0.13mm，定位台高度＝0.3mm，为保证接口的强度不低于制件本身，焊接深度为壁厚的1.25倍，即H＝1.25×3＝3.75mm，取整至4mm，单边过盈量＝0.35mm.在压力的作用下，电极臂的振动能量使两部件的过盈配合部分熔化，产生一个近似锥形的焊接区，如图1。与其它类型的接口相比，剪切接口的熔化面积较大，在焊接时也需要较多的功率、振幅或更长的焊接时间。研究结果表明，在设定超声波焊接ABS塑料的工艺参数时，影响接口质量的重要参数是振幅、焊接能量和焊接压力^〔5〕。对法兰式剪切接口进行超声焊接，必须使用焊接夹具支承住凹形部件法兰的外壁，以避免在软化时因制件变形，导致凸形部件在电极臂压力的作用下压入凹形零件，从而形成假焊。

表2　剪切接口的推荐尺寸

3．4　接口连接强度校核
　　为验证接口设计方案及焊接加工工艺参数是否能满足制件的使用要求及焊接制件的质量，以保证制件在使用过程中具有长久可靠的使用寿命，需校核焊接接口的连接强度及法兰的气密性，拟通过液压试验来检验制件的气密性、承压能力和爆破压力。
　　液压试验是检验法兰接口密封及连接强度能否满足承压要求的常用方法。本次设计的制件属非标准件，无与之对应的检验标准。因此，液压试验参考引用《喷灌用低密度聚乙烯管材，GB 6674-86》中的水压试验方法，以及GB 9574-88中关于试验压力、爆破压力与设计工作压力的比率的规定。压力机为普通水压机或水泵，电动、手动均可，泵源必须有足够的流量，能保证连续稳定地向试样提供压力，且压力波动小于5%，压力测量采用0.4级标准压力表。
　　用接头连接孔口，将20℃±2℃的水灌满试样，排除空气，并在试验温度下最少放置1h，然后用相同温度的水对试样缓慢增压至2倍的使用压力，即0.8MPa，保持5min，如试样无破裂、渗漏现象则可初步认定满足气密性和承压要求。随后继续增压直至制件破裂，记录爆破时压力表数值，即爆破压力，如破裂未发生在焊接接口区域，则该试样按无效处理，需另行取样补测。
　　用深圳恒波超声波品牌超声波焊接机，设定焊接时间0.8s、保压时间0.6s和0.65MPa的气压压力，按照法兰间隙小于0.2mm或焊接深度大于3.5mm为标准，从焊接后的500件制品中随机抽取100件用于液压试验。制件的使用压力为0.4MPa，气密性和承压试验在0.8MPa的压力下进行。结果显示：所有被测试样在0.8MPa压力作用下无任何渗漏，所有试样的爆破压力分布情况示于图4。由图可见，使用上述设计的剪切接口焊接的制件，其爆破压力均在1.2MPa以上，并且有一半以上试样的爆破压力超过1.6MPa，是制件使用压力的4倍。用设计的剪切接口超声波焊接的制件完全能满足使用要求。

图4　焊接制件的爆破压力分布

4　结束语

　　以上介绍了超声波焊接法兰式剪切接口的设计实例，对要求高连接强度及气密性的制件，使用剪切接口的设计形式能可靠保证质量，参照管材的水压试验方法，对焊接的制件进行承压、气密性和爆破压力试验，以检验接口的密封性和焊接强度是可行的。