正确选择塑料装配工艺

作者:文/必能信公司 Jeffrey Frantz 文章来源:PT《现代塑料》2013年10月刊 发布时间:2013-11-12
塑料件的装配工艺与产品的美观度,性能以及成本等众多因素密切相关,是一个十分重要的加工环节.那么,应该如何选择正确的装配工艺呢?

塑料件的装配工艺与产品的美观度、性能以及成本等众多因素密切相关,是一个十分重要的加工环节。那么,应该如何选择正确的装配工艺呢?

为一项应用选择理想的装配工艺是十分艰巨的任务,对塑料件而言也同样如此。通常,用于塑料件装配的工艺主要有机械法、粘合剂法及摩擦和加热法三大类,每种工 艺都有其独特的优势。其中,机械法包括(但不局限于)搭扣配合、螺丝、铆钉和压配等方法。当产品(如配有可拆卸电池组的产品)在其使用期限内需要进行拆卸 时,机械法是一种频繁使用的方法。另外,机械法也常用于固定设备成本超过耗材成本的小批量应用中。粘合剂法常用于材料不相容或需要永久性装配的解决方案 中,如柔软的PVC医疗用管和硬质塑料阀。粘合剂的种类很多,在各种不同的应用中得到了广泛使用。为获得理想的效果,在选用粘合剂时,建议联系粘合剂制造 商,并针对自己的应用来确定合适的产品。此外,采用粘合剂法进行装配还需要考虑成本方面的问题,因为此工艺通常需要某种施胶机,且在粘合剂固化过程中,部 件可能需要固定到位。摩擦和加热法是一种通常在材料相容、需要永久性或防损毁密封时使用的方法,本文将针对该方法中几种工艺的特点,对其进行区分,以便为 塑料装配工艺的选择提供更加清晰的思路。

值得一提的是,要做出正确的选择,必须对每个应用进行独立的考量,因为它们都有自身的特点和要求。 例如,过去的一项应用可能通过粘合剂法获得了成功,但是目前正在研究的应用可能更适合采用超声焊接。此外,为了正确选择装配工艺,还必须明确装配过程可能 涉及的全部性能和要求,包括零部件的材料(如果有内部零部件,一定要包括进去)、几何形状和终端用户的要求等。对于决策者而言,在选择的过程中最好要保持 辩证的思维和开放的心态,如此才能实现“无倾向性”,清楚了解每个工艺的优点和局限性,并与设备或系统供应商紧密合作,最终开发出适合自己应用的解决方 案。

一台超声焊接机的电源、转换器、增压器和焊头共同作用形成的机械振动

摩擦工艺

1.超声焊接

超声焊接是一项极具成本效益的技术,其优点包括速度快(大多数焊接只需不到1s的时间)、无耗材、固化时间短(或没有)、固定设备成本低及易于集成自动化 等。该工艺利用一系列组件(包括电源、转换器﹑增压器﹑焊头和致动器)向部件提供机械振动和力,从而在配合部件的界面处产生热量,熔化塑料并形成牢固的连 接。

在这些组件中,电源﹑转换器﹑增压器和焊头一起作用产生机械振动。电源一般采用标准的电气线路电压,并将其转换为工作频率。常用的供电频率通常在15kHz~70kHz范围内,最常见的有20kHz﹑30kHz和40kHz。

超声焊接中的电能通过RF(射频)电缆送到转换器中,转换器采用压电陶瓷,以电源的工作频率为基准,将电能转化为机械振动。此机械振动会在增压器和焊头的配置基础上增加或减少。机械振动的程度被称为“振幅”,通常由一名应用工程师根据被焊接的材料决定其大小。

在典型的台式系统中,致动器的底座和立柱可以被去掉,这为集成自动化提供了一个理想的配置。致动器能将转换器﹑增压器和焊头的能量传送到被焊部件上,并向其施加焊接力。通常,焊接力的范围在222.5~3337.5N之间。

超声焊接的局限性主要来自被焊接的材料和部件的尺寸。例如,焊接一个25.4cm×25.4cm的ABS(易于焊接的材料)部件,15kHz的焊机即可满足 焊接要求;而对于由较难焊接的材料(如尼龙)制成的部件,8.9cm的直径已经是能够被焊接的极限尺寸。另外,焊头中的深度轮廓或切口也可能成为焊接部件 尺寸的限制因素。

图中上半部分是标准PC与PC/ABS振动焊接接头,下半部分是采用必能信清洁振动技术焊接相同部件所得的效果

2.振动焊接

振动焊接是通过固定其中一个配合部件而另一个部件在受力情况下进行往复式直线运动进行的,其频率一般在100~240Hz范围内,振幅为0.1~0.4cm。该工艺不会对塑料件的内部元件产生负面影响,其典型的周期为5~15s(具体时长主要取决于部件的尺寸)。

振动焊接的设备能够使配合部件返回到原始位置,以便两个被焊接的部件正确对齐。与其他非超声波工艺相比,振动焊接具有周期时间相对较短的优势。不仅如此,振 动焊接适用于形状复杂的大型部件以及几乎所有的热塑性塑料(结晶﹑半结晶和无定形),且在一个单周期内可实现对多个部件的焊接。另外,振动焊接对材料的热 历程﹑添加剂﹑着色剂﹑填料以及环境污染物有非常高的容忍度,且能耗较低,各种工装(在尺寸和类型方面)可以被放在同一台机器上,而不需要专用的机器和模 具组。

振动焊接的限制主要源于部件设计人员整合该工艺所需功能的能力。由于焊缝由机械摩擦产生,所以配合部件之间至少要保持0.18cm的相对运动。此外,部件垂直于振动方向的壁也需要进行设计,以确保它们在振动期间不会弯曲。

根据焊缝尺寸和熔体深度的不同,焊接过程可能会产生一定量的焊接“毛边”,如果成品在美观性方面有特殊要求,那么这些毛边需要被隐藏起来。在此情况下可通过在设计环节中引入毛边坝或毛边陷阱解决此问题。

随着技术的发展,振动焊接领域的新成果也不断涌现,其中包括结合了红外技术和振动焊接的清洁振动技术(CVT)。在该技术中,焊缝界面精确地用红外热源预 热,然后被振动焊接在一起,不仅具备振动焊接的所有优点,还能尽量减少在标准焊接过程中产生的毛边和微粒数量。在清洁振动技术中,部件都采用和标准焊接过 程相同的方式加载,其特别之处在于红外线热源被引进用于对焊接界面进行精确加热。需要注意的是,一旦取出红外热源,部件就振动焊接,周期时间通常延长至 25~40s。

旋转焊接是在夹持载荷下,通过在一个固定配合部件上旋转另一个部件产生摩擦而实现的

3.旋转焊接

本质上,旋转焊接是一种摩擦方法,它能把两个热塑性部件连接在一起,形成分子级连接。此焊接工艺是在夹持载荷下,通过在一个固定配合部件上旋转另一个部件产 生摩擦来实现的。一旦旋转停止,需要连接的部件在短时间内会被固定在一起,以形成固化连接。采用旋转焊接工艺时,被连接的两个部件之间的接头必须是圆形 的,且通常质量较小的部件被放置在旋转部分的上半部,但根据零部件几何形状的不同,也会有例外。

典型的旋转焊机通常由以下几个组件构成:含有旋转电动机的致动器、提供焊接力的气动缸或发动机以及一个负责致动器移动﹑旋转及调整其他焊接参数的控制器。

与其他焊接技术相比,旋转焊接具有许多优点,如可获得高强度的密封和相对较短的焊接时间(其焊接时间一般为1~2s,总周期在5~7s范围内)。与超声焊接 不同的是,旋转焊接可以处理大多数热塑性塑料。不仅如此,该工艺也能焊接来自不同成型工艺的材料(如把注塑部件焊接到挤出或吹塑部件上),只要被焊接材料 的熔融流动指数和熔体温度相似。另外,使用旋转焊接技术可以很容易地实现远场焊接,只需使用一种伺服系统就能实现配合部件之间的定位,这是与超声焊接相比 的另一优势。

图中展示的是激光焊接的基本原理

非摩擦工艺

1.热板焊接

热板焊接的突出优势是可以焊接几乎任何形状的部件,前提只需设计出与部件曲面相匹配的热插件。此外,热板焊接产生的毛边是固体和均质的,不会破裂或剥落,也 不会形成微粒,这一优势在医疗设备和消费类部件市场中具有极高的价值。热板焊接工艺能用来“纠正”熔融超出公差的部件,焊接形状复杂的大型部件,且能够在单周期内对多个部件进行装配。

在热板焊接过程中,需要连接的部件被装入夹持夹具中,两者都要接触到热压板(热压板由加热元件和两个热插件组成)的相对面,一旦部件达到树脂的熔融温度,热压板会被移走,部件便被连接在一起。热板焊接典型的周期时间在30~50s范围内。

对于热板焊接而言,其局限性很大程度上与周期时间相关。另外,它的能源消耗也相对高于其他焊接工艺。在热板焊接中,接触塑料部件的工装通常涂有作为脱模剂使用的PTFE,这是一种耐磨的物质,需要定期重涂,发挥一种预防、维护的作用。

摩擦和加热法的适用情况

2.激光焊接

激光焊接是一种温和且清洁的装配工艺,它能用于焊接几何形状复杂和难以用其他技术连接的材料。在激光焊接中,有一种独特的工艺——同步穿透红外(STTIR)焊接。该工艺在焊接过程中允许压瘪或位移,没有微粒产生,能提供可靠和高强度的密封。

激光焊接要求在激光波长下进行,且要求被焊接部件中的一个是可透射的,另一个能吸收能量。此外,被焊接部件的几何形状必须允许激光传送至焊缝部位。

典型的激光焊接机主要由电源﹑控制器、冷却系统、致动器和激光库(laser bank)等组成。激光光源的波长为780~980nm,它产生的能量通过被设置在焊接边缘的光纤束直接传递到部件上。激光光源中每个二极管的激光输出可 以根据所需的功率密度发散在一个或大或小的区域上。

激光焊接工艺具有广泛的优势,且焊接过程没有颗粒或毛边产生,这对许多应用,特别是对医 疗﹑汽车和电子装配而言,具有非常重要的意义。激光焊接的周期时间相对较短,大约为5~7s。在此过程中,被焊接的两个部件之间没有相对运动,它们被固定 在适当的位置上,以便保持部件之间的精确对应。

激光焊接的主要限制因素是,它要求被焊接的两个部件必须一个能够透射激光,另一个能够吸收能量。

在此情况下,理想的组合是一个部件透明,另一个部件含有炭黑颜料。当然,除炭黑外,也有其他颜料可吸收激光实现焊接,不过为了颜料组合能正常工作,在使用之前需要咨询设备供应商。

3.热处理

热处理是利用加热的尖端直接和塑料接触,软化塑料并重新形成所需形状的方法。与超声波装配相比,该工艺适用于更多的塑料品种。另外,热处理还非常适合于同步铆焊和插入大量的部件,且不会因此显著延长周期时间。

热处理是一个安静、清洁的过程,不像其他工艺那样会产生很多的颗粒。由于操作起来比较轻缓,因此可用于装配带有精密元件的部件(如可能会损坏的印刷电路板)。

热处理的局限性主要在于它的周期时间,该工艺是一个相对缓慢的过程,尖端的热传递和通过塑料的热传递是主要的影响因素。

选择装配工艺需考量的因素

当存在很多备选方案时,很难决定哪个工艺最适合自己的应用,但这里有一个常用的思考过程,可以在选择装配方案时发挥其实用性。

1.材料

一些材料(如表中所示)与某些给定的工艺更匹配,因此对材料的考量成为选择装配工艺过程的第一因素。例如,聚烯烃在超声焊接中会受到一定限制,但却适合于其 他所有的工艺;超声焊接不适合作为热塑性橡胶/热塑性弹性体(TPRs/TPEs)的连接工艺,且在某些应用中只有有限的能力,但它在其他一些应用中表现 良好。

2.部件的几何形状

在选择合适的塑料装配工艺时,第二个需要考虑的因素是部件的几 何形状。而对于部件几何形状的分析,要先从其尺寸入手。例如,超声波的局限性之一是模具的尺寸,其一般规律是:频率(15kHz)越低,模具(近似最大 值,25.4cm×25.4cm)越大,频率(40kHz)越高,模具(约6.4cm×6.4cm)越小。

如果焊接部件的尺寸大于这个范围,可能需要考虑改用超声多次焊接或采用其他装配工艺。

对于部件的复杂性和焊缝的外形,某些装配工艺可以很容易适应这些特征而另一些却做不到。

3.壁厚和内壁

壁厚和内壁是选择过程中必须考虑的因素。例如,由于直线往复运动的需要,振动焊接很难用于长且没有支撑的壁,但是其他技术对于此类部件特征则没有特殊要求。

4.产量

产量同样是一个不能忽视的因素,例如超声﹑旋转和激光焊接工艺可以在几秒钟内(或更快)完成对组件的加工,而热板焊接可能需要40~50s,因此将产量作为选择装配工艺的其中一个考量标准是十分必要的。

5.固定设备成本

固定设备成本应该是最后要考虑的因素。虽然实际情况会更为复杂,但是提前将这一因素纳入考量标准也是十分必要的。

最后,需要再次强调的一点是,为了作出正确的选择,必须对每个应用进行独立考量,因为每个应用都有其自身的特点和要求。

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