標(biāo)題: 超聲波鉚接：短時間內(nèi)形成堅固連接 [打印本頁] 作者: 寂靜天花板 時間: 2015-11-29 19:00 標(biāo)題: 超聲波鉚接：短時間內(nèi)形成堅固連接 一種新型超聲波鉚接工藝可以將塑料與不同材質(zhì)的材料連接起來。它采用管狀鉚釘，形成形狀配合的焊道。這種新工藝被稱為超聲波壓力鉚接，其特點是鉚接時間短，且斷裂拉伸強力高。" g1 C$ g) Y ]2 z& r
傳統(tǒng)的金屬應(yīng)用正越來越普遍地被塑料所替代，這導(dǎo)致了混合材料結(jié)構(gòu)（如：金屬與塑料、熱塑性塑料與熱固性塑料或其它不相容的熱塑性塑料相結(jié)合）和多組件系統(tǒng)使用的增加。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诋a(chǎn)品的機(jī)械和光學(xué)性能的要求不斷提高，因此，需要開發(fā)出新的加工策略，以實現(xiàn)更高的連接強度與更短的加工周期。 9 y$ `, }1 E2 W 由于熱塑性塑料組件無法通過焊接方法與不同材質(zhì)組件形成連接節(jié)點，已開發(fā)出鉚接工藝加以應(yīng)對。在鉚接過程中，通過對螺柱的凸頭或圓頂施加壓力，使其受熱、塑化并成型，從而在需連接的組件間形成形狀配合的節(jié)點。在傳統(tǒng)鉚接工藝中，可能存在鉚頭與鉚桿局部連接不足的問題。這可能會導(dǎo)致強度、光學(xué)和功能性方面的負(fù)面影響。而要想改善這種情況，常常又會導(dǎo)致連接加工時間的大幅延長。圖1! _% }7 ]& c4 B$ |6 b' S8 h1 e
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鑒于以上原因，德國卡爾斯巴德的Herrmann Ultraschall GmbH & Co. KG，和德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的塑料研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)出適用于塑料零部件的超聲波壓力鉚接工藝。這一新穎的工藝改變了螺柱成形的傳統(tǒng)過程。取而代之的是，它利用了一個帶孔道的、孔徑可隨螺柱直徑、材質(zhì)和需鉚接的零部件厚度而變化的半管狀螺柱。 0 r; M# u+ P- u6 q" k 第一個處理步驟是，通過正確安裝的超聲波發(fā)生器焊頭發(fā)出的超聲波，使管狀螺柱內(nèi)部發(fā)生塑化，從而形成一個熔融的墊襯。在第二步中，利用超聲波發(fā)生器的肩狀突出部使螺柱局部受熱。從而形成形狀適當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量節(jié)點（圖2）。根據(jù)所用材料的不同，施壓時可選擇是否應(yīng)用超聲波。 # d% Y9 z( m8 c- \[attach]372109[/attach] 1 b% a3 R0 Z! d/ H+ [+ ~. I8 z! g實驗研究主要集中在PA66-GF30（制造商：巴斯夫公司，德國路德維希港），它是一種在大量不同應(yīng)用中進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用的建筑材料。低熔體粘度和高熔融溫度對鉚接工藝提出了極高的要求。此外，還對ABS-PC、POM、PBT-GF30、PC-GF20和PMMA開展了積極的研究，以證實這一工藝在一系列廣泛應(yīng)用中的適用性。 * s% I! D/ V f/ x3 ]) W% V # q* k ^1 t4 B' D
本實驗在Herrmann Ultraschall HiQ Dialog SpeedControl 1200超聲焊接機(jī)（系統(tǒng)頻率為35kHz）上進(jìn)行。該設(shè)備配備了數(shù)碼超聲波發(fā)生器，可進(jìn)行調(diào)幅控制，而HMC液壓傳動概念則提供了精確的連接力控制，這樣就將液壓傳動的優(yōu)勢和電力傳動的力度結(jié)合了起來。因此，該設(shè)備具備可對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行精確記錄和評估的特點，如幅度、連接路徑、連接力曲線等。 8 Q4 B e2 h) Q, N 4 W# t# g; u' }6 r2 z
鉚接螺柱及超聲波發(fā)生器的新幾何特征 3 U W0 M3 K6 n' ` , H Y& A3 Z: I! j4 X1 t這項實驗性探索所采用的試樣，因為在模具內(nèi)配備了可互換插件，所以在注塑過程中可形成不同的管狀幾何形狀。外徑為3mm不變，而內(nèi)部幾何形狀不一的鉚釘，被置于60×60×4 mm³的基體上。幾何形狀1是部分中空螺柱，其孔道端部正好在連接對象的上方幾何形狀2為向鉚釘?shù)撞恐鸩阶冋奶菁壙椎?。連接對象為3mm厚的U形鋼材，翼緣長度為30mm。如圖3所示，超聲波發(fā)生器底部裝有尖狀物，這種設(shè)計是為了適應(yīng)管狀鉚釘?shù)目椎馈?font class="jammer">, R& {' Q' J: S4 q! C
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對鉚接質(zhì)量的光學(xué)和機(jī)械性能評估 3 \3 o, S) `) s4 U2 W2 k4 D 9 n" [# O- n# N/ v所進(jìn)行的分析側(cè)重于確定當(dāng)測試速度為5mm/min時的拉伸測試中的特定斷裂強力。通過肉眼和顯微鏡，采用顯微截面來評估內(nèi)外螺柱焊道的形成。 8 m1 T& m* N8 B" A2 j L" A ]8 c9 f' }' u研究顯示，連接質(zhì)量與管狀螺柱的設(shè)計密切相關(guān)。 |- ~. g3 a! u$ E/ n2 F- w4 m
隨著波幅和連接力上升，由于輸入比能增大，形成連接所需的時間縮短。 - e' u& I1 d2 S$ G% x9 Q2 s : `% t4 V6 j( R由于超聲波焊頭替換材料而在管狀鉚釘內(nèi)部形成的熔融壓力對材料的溢出有著關(guān)鍵影響，特別是采用低粘度材料如PA66時，更是如此。由于基礎(chǔ)材料粘度高，如想重新更改形狀而不發(fā)生材料溢出，只能采用小波幅及高連接力但是，由于冷整形的比例高，會導(dǎo)致受壓焊道內(nèi)產(chǎn)生微裂紋。另外，由于這些參數(shù)的共同影響，最終的連接時間會大幅延長。$ P% E% P! u5 ]1 u, i
5 H3 ~: F2 H! [- q+ i' j. | w通過在螺柱內(nèi)設(shè)計交錯孔道實現(xiàn)了對管狀螺柱的進(jìn)一步優(yōu)化，從而為被超聲波焊頭替換掉的材料創(chuàng)造了額外的空間，防止了焊道中材料的溢出$ P' c/ d' d V4 h' T0 \ @; w
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可根據(jù)最終熔體調(diào)整體積優(yōu)化的幾何形狀2則避免了材料溢出，從而獲得理想的焊道形狀。 - b8 }- }- z6 D! M# Z7 ? ; x$ W; Q: |/ L( k
由于管狀螺柱的承載斷面并未變化，新的內(nèi)部形狀不會對有效斷裂強度產(chǎn)生負(fù)面影響。新的幾何形狀2有利于在較寬的工藝窗口內(nèi)形成光學(xué)效果比較理想的焊道形狀。對于PA66-GF30而言，當(dāng)波幅為20µm、連接力為 300N時最為理想，而所得到的斷裂力為460N。所要求的連接時間處于十分經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)，為1.5s # X- w6 _+ H/ E, f) s0 e* [ 9 O! i7 o) g- N0 Q( P; g與其它鉚接工藝的比較6 J& i& d% ~' W0 @3 z
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結(jié)果表明，超聲波壓力鉚接方法可以滿足高技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性要求。$ u, W! E% d" O0 K' i' q3 ? N
4 r- G2 j6 ?; C' h與其它三種熱鉚接方式（熱成形、熱燙接、熱空氣鉚接）及傳統(tǒng)的超聲波熔接相比，超聲波壓力鉚接的斷裂應(yīng)變最大。所考察應(yīng)用的是頭部尺寸不同的兩種DVS-標(biāo)準(zhǔn)實心螺柱幾何形狀，一種DVS-標(biāo)準(zhǔn)的管狀螺柱幾何形狀，以及新近為超聲波壓力鉚接開發(fā)的管狀結(jié)構(gòu)。+ _. M3 S+ u& X: @8 w5 ]9 t
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7 v& a: C' g8 v! ?" W+ F) [6 E與市場上常用鉚接方法相比，超聲波壓力鉚接顯示出更高的斷裂強度和更短的連接時間。 7 o1 o, c, l0 o( V+ r ( p/ P% v% A$ r5 z+ j$ ~( G+ B評估機(jī)械性能時，對于新的超聲波鉚接工藝必須考慮采用管狀螺柱。該工藝可達(dá)到的最大強度是87±3MPa。當(dāng)然，它低于長DVS實心鉚釘熱成型達(dá)到的強度。但是，如果作直接比較，則明顯高于DVS管狀螺柱通過熱燙接達(dá)到的強度，其最大值僅為63±5MPa。# X% ^ }4 W0 S
0 }" G1 V) {- Y0 S優(yōu)勢及局限 E! r, M3 x3 h: G$ Q; s 2 P6 l; h7 X, w
與熱鉚接技術(shù)相比，超聲波壓力鉚接的連接時間具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)手頭掌握的案例，連接時間約為1.6秒，但需要考慮額外的1秒鐘保持時間。熱鉚接方法一般需要的連接時間明顯較長，為10秒~20秒，還沒有考慮熱燙接的熱機(jī)時間和推薦的冷卻時間。9 L; B3 U' K& z
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當(dāng)前新工藝的設(shè)計極限為螺柱最小直徑3mm。管狀螺柱中心的塑化需要足夠的材料體積，及（或）適當(dāng)?shù)闹睆?。減少鉚釘焊道上方殘留的浮層是本次研究的目標(biāo)。但就目前來說，與斷裂強度較低而所需空間也較小的傳統(tǒng)DVS鉚釘相比，這仍然是一個劣勢。; m- l9 E) `2 ^: q" y, u
: [5 t( p( v/ A# f! p結(jié)論: P; ?8 m; z3 e! T& U
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超聲波壓力鉚接涉及到一系列廣泛的材料，可用于新型精細(xì)材料的連接。其技術(shù)秘訣在于鉚釘和超聲波焊頭的設(shè)計，螺柱為管狀，而孔道深度可根據(jù)用途不同調(diào)節(jié)則是其一大特點。通過孔道深度也可以消除材料的溢出。超聲工藝本身可以進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，從而實現(xiàn)有針對性的能量輸入，并與采用多個螺柱時可能出現(xiàn)的部件間隙相適應(yīng)。通過工件和工具的形狀創(chuàng)新，超聲波輸入幾乎完全不耦合，從而保護(hù)了敏感部件。除了高強度之外，鉚接工藝連接時間最長不超過3秒（含保持時間），顯著低于其它熱鉚接方式所需要的幾十秒。新方法的實際應(yīng)用包括PCB、板、磁性材料、板材等的鉚接。 ( V, n' l. L. v* w. F: K. X3 Q% S) _) T1 x5 V3 f: ?