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专业分享 | PEEK材料与焊接应用(二)

能够用于聚醚醚酮的潜在焊接方法有多种,这些方法根据热量的引入方式不同可以归为四类:体加热类、摩擦加热类、电磁加热类、辐射和对流加热类。图 2给出了每类所包含的具体焊接方法。

图2 聚醚醚酮潜在焊接方法

在以上这些焊接方法中,热板焊、电阻焊、感应焊、振动焊,激光焊和超声波焊,具有高效、成本低、接头强度高的优点,因而成为最为常用的塑料焊接方法,下面将对这些焊接方法焊接PEEK时的优缺点进行简单概括。

热板焊的优缺点

热板焊是最早用于焊接塑料的方法,它是通过在焊件之间插入一个高温金属板来加热焊件表面的树脂来进行焊接的方法。为了防止部件与金属板粘连,金属板的表面事先覆盖上聚四氟乙稀涂层。对于高熔融温度塑料,可采用特殊的青铜合金作为热板以减轻粘连。某些情况下,也可采用非接触式的热板加热方法,此时热板被加热到较高的温度,热板与焊缝位置离的很近,依靠对流和辐射加热被焊表面,如图3所示。当焊件表面被加热软化后,将金属板抽去,然后焊件被压焊在一起。

图3 热板焊示意图

热板焊技术对于小部件的大量生产特别适用,对材料性能与焊接条件的变化适应性强,广泛应用于热塑性塑料的焊接。其缺点是接头热影响区大,工艺时间长,焊接面的几何形状变化适应性差,而且加热和加压不是同时进行的,无法焊接高结晶性塑料,因为结晶性塑料只要其温度低于熔融温度会即刻凝固,因此部件在被对中和加压之前,熔化的表面已经变成固体状态。

电阻焊的优缺点

电阻焊是将导电的电阻材料放入焊接界面中,然后在焊接压力的作用下将电阻材料夹在焊件之间,此时电流通过电阻材料产生热量,将焊接界面上的树脂熔化,熔化的树脂在焊接压力的作用下相互润湿和混合,消除原始的宏观焊接界面形成焊缝,最后电阻材料被保存在最终的焊缝中,如图4所示。

图4 电阻焊示意图

电阻焊的优点是设备简单易用,能够用于结晶性塑料的焊接。缺点是焊接接头和焊缝中残留铁磁性等电阻材料,它同树脂不相容,从而降低焊接接头的强度,也降低了焊接接头的耐腐蚀性,所以在制造要求防腐蚀性能的结构中,是不能采用这种焊接方法的。

感应焊的优缺点

感应焊接是依靠植入焊接界面的铁磁性物质在高频电磁场的作用下产生热量来进行焊接的,如图5所示。

图5 感应焊示意图

在早期工艺中,采用的交变电磁场频率为200-500KHz。在这种频率的电磁场中塑料本身不会发热。在当前的工艺中,金属植入物由铁磁性颗粒填充的树脂基体制成的加热层替代,树脂基体通常与焊件的材料相同,如果焊接不同材质的塑料焊件,则基体树脂通常是两种焊件材料的混合物。此时,交变电场的频率必须提高到3-10MHz,产热机制同时包括了磁滞和涡流损耗。非导电性的铁磁性材料,如铁素体,是依靠分子间的摩擦产生热量的。

感应焊的缺点是焊缝中植入的铁磁性的颗粒与塑料焊件不相容,影响接头的强度和使用性能。另外,对于每种新的接头形式都要进行线圈形状的设计和优化使得此种焊接方法的灵活性变差,同时植入物的消耗性使用也大大增加生产成本。

线性振动摩擦焊优缺点

线性振动摩擦焊是采用低频率的往复摩擦机械动作进行塑料焊接的方法,图 6给了其装置示意图。

图6 线性振动摩擦焊示意图

焊接时,首先采用0.5-5MPa的焊接压力将搭接好的焊件压紧,然后一侧的焊件在夹具的带动下以1mm左右的振幅、100-500Hz左右的频率在平行于焊接界面的方向振动,焊接界面在摩擦和粘性剪切应力的作用下温度逐渐升高到塑料的熔融温度以上,熔融的塑料在焊接压力的作用下从焊接界面挤出,焊接接头开始进入熔降过程,当熔降值达到焊前设定值时,振动停止,熔融的焊缝层在压力保持下凝固。

线性振动摩擦焊的优点是焊接界面温度具有自调节性,不会产生烧损现象,能够焊接较大尺寸的焊件。其缺点是焊接接头的挤出树脂多,热影响区大,不能焊接界面形状复杂的焊件,焊件精度和外观质量不如超声波焊接接头。

塑料激光焊优缺点

塑料激光焊是利用塑料在原子水平上将激光的光子转化为热能的原理进行焊接的方法。塑料的激光焊接采用两种材料,即吸收激光的材料和透过激光的材料。将透光材料和吸光材料重叠,从透光材料端照射激光,激光光子穿过透光材料被吸光材料中的炭黑吸收而变成热量,热量使吸光材料熔化,同时由于热传导也使透光材料熔化,在随后的自然冷却过程中,已熔化的这两种材料粘合在一起形成连接。塑料激光焊的先决条件是限定这两种材料间的间隙近于零,并从吸光材料向透光材料传热,保证两种材料同时熔化。如图7所示:

图7 塑料激光焊示意图

塑料激光焊接的优点是几乎不对焊件内部结构产生影响,焊接效率高,焊接变形小,焊接设备体积小、成本低,焊接精度高。目前塑料激光焊接工艺已经用于丰田 PA6 进气歧管、汽车雾灯。其缺点是一次扫描使加工时间延长,需要精确控制入射能量,对材料间的间隙要求较高,而且更为重要的是在焊接具有高结晶度的塑料时,由于透光率较低难以获得令人满意的接头。

超声波焊接优缺点

超声波焊是采用高频率机械波(20-120KHz)来产生焊接所需热量。超声波焊接时,焊头首先压紧焊件,然后电源激励焊头产生超声频小振幅(10-120μm)的纵向振动机械波,由于焊接界面存在微观凸起或“导能筋”,机械波能择优在焊接界面上转换成热能,使材料表面的树脂发生熔化,在压力和超声振动的作用下,熔融的树脂不断铺展,挤出界面空气隙,使得上下焊件表面形成紧密接触,分子链开始相互扩散,使焊件间的原始分界面逐渐消失,冷却后形成分子和原子尺度上的连接。图8示意了完整的超声波焊接过程。

图8 超声波焊接过程示意图

超声波焊具有焊接时间短、焊接速度快、对接头破坏程度小、接头强度高、焊缝没有外来物质、不需要严格的焊前表面准备、密封性好、热影响区小、接头美观洁净、生产和设备成本低、操作简单、自动化程度高等优点。其存在的一次焊接面积小的不足,可以通过采用连续扫描焊的方法克服。

超声波焊接工艺采用的接头设计有两类:一类是超声振动的方向同焊接界面平行,称为剪切接头,如图9-d所示。另一类超声振动方向同焊接界面垂直,称为平接接头,如图9-a、9-b和9-c所示。

剪切接头是通过振动式挤削作用来消除宏观的焊接界面从而形成焊接接头的,通常用于结晶性聚合物的焊接以及要求密封的场合。平接接头是最为常用的形式,尤其在焊接连续纤维增强的材料时,只能采用这种接头设计形式。在采用平接接头时,为了避免产生不规则的熔合层,要在焊接表面制作导能筋以引导树脂的熔化铺展过程。导能筋的熔化铺展行为直接决定了焊接接头的成型质量和强度。在焊接时,导能筋应该能够充分的铺展,在焊接过程中始终有一层液态薄膜存在于导能筋和下焊件的接触面上,以保证分子链扩散过程的快速进行,并避免成型缺陷的产生。

图9 超声波焊接的两类四种接头形式

在超声波焊接方法中,焊头表面和待焊接界面的距离是一个很重要的参数。如果该距离小于6mm,则超声波焊接过程被称作为“近域焊”,如果距离大于 6mm ,则焊接过程被称作“远域焊”。远域焊需要更大的振幅、更长的焊接时间和更大的压力才能获得和近域焊强度相当的接头。通常远域焊只适合于焊接非晶态聚合物,因为无定形树脂的机械能量传递性能要强于半晶型树脂。

综上所述,感应焊、电阻焊会在最终焊接接头中残留铁磁性物质;振动焊和热板焊接头热影响区大、接头残余应力大、接头变形程度大,焊接精度差;激光焊接方法难以焊接PEEK这样透光率低的结晶性塑料;超声波焊没有这些不足,而且超声波焊接设备简单、价格低、生产效率最高。

因此,PEEK的焊接,选用超声波焊接工艺具有重要意义。

但是,到现在为止,聚醚醚酮的超声波焊接工艺仍不成熟。这是因为聚醚醚酮具有很高的熔点,采用超声波方法进行焊接时,必须采用比普通塑料更高的功率。提高超声功率的途径有二种:一种是提高超声波焊机的工作频率;另一种是提高焊接机头的振幅。然而,提高超声工作频率会导致焊件本身的发热量急剧增加,不能进行大厚度焊件的焊接。因此,采用提高焊头振幅的方法成为唯一切实可行的方法。

图10 某型大功率超声波焊机

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