一種新型超聲波鉚接工藝可以將塑料與不同材質的材料連接起來。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。5 z+ Y u/ n' v2 ]' a" u" G% F
傳統的金屬應用正越來越普遍地被塑料所替代，這導致了混合材料結構（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合）和多組件系統使用的增加。這些應用領域對于產品的機械和光學性能的要求不斷提高，因此，需要開發出新的加工策略，以實現更高的連接強度與更短的加工周期。- S' x- n: [ L9 h4 X; n- n
由于熱塑性塑料組件無法通過焊接方法與不同材質組件形成連接節點，已開發出鉚接工藝加以應對。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點。在傳統鉚接工藝中，可能存在鉚頭與鉚桿局部連接不足的問題。這可能會導致強度、光學和功能性方面的負面影響。而要想改善這種情況，常常又會導致連接加工時間的大幅延長。圖13 i; `& }1 q5 a. c2 @) ?
. L& i @( U- k! b C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大學的塑料研究機構合作開發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、材質和需鉚接的零部件厚度而變化的半管狀螺柱。
* G; H) O' x5 ^; Z& p/ l7 Y 第一個處理步驟是，通過正確安裝的超聲波發生器焊頭發出的超聲波，使管狀螺柱內部發生塑化，從而形成一個熔融的墊襯。在第二步中，利用超聲波發生器的肩狀突出部使螺柱局部受熱。從而形成形狀適當的高質量節點（圖2）。根據所用材料的不同，施壓時可選擇是否應用超聲波。
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- ]$ \5 D- I1 f4 B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用中進行工業化應用的建筑材料。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用中的適用性。' N2 J6 w: x9 U; l9 `& _/ P: }/ n
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本實驗在Herrmann Ultraschall HiQ Dialog SpeedControl 1200超聲焊接機（系統頻率為35kHz）上進行。該設備配備了數碼超聲波發生器，可進行調幅控制，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勢和電力傳動的力度結合了起來。因此，該設備具備可對相關工藝參數進行精確記錄和評估的特點，如幅度、連接路徑、連接力曲線等。
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鉚接螺柱及超聲波發生器的新幾何特征1 h9 m" E! W, P0 R5 Z# \) E
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這項實驗性探索所采用的試樣，因為在模具內配備了可互換插件，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為向鉚釘底部逐步變窄的梯級孔道。連接對象為3mm厚的U形鋼材，翼緣長度為30mm。如圖3所示，超聲波發生器底部裝有尖狀物，這種設計是為了適應管狀鉚釘的孔道。% r% S# V+ m( ~2 {8 M; v8 R' \$ ~2 x
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* `- n! @" b+ G1 @6 D& I/ b! w對鉚接質量的光學和機械性能評估
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& \$ }+ T6 ?; K9 T( Q所進行的分析側重于確定當測試速度為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外螺柱焊道的形成。
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研究顯示，連接質量與管狀螺柱的設計密切相關。, N4 T# W: |, k3 T' ^; q B3 B( R
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。
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由于超聲波焊頭替換材料而在管狀鉚釘內部形成的熔融壓力對材料的溢出有著關鍵影響，特別是采用低粘度材料如PA66時，更是如此。由于基礎材料粘度高，如想重新更改形狀而不發生材料溢出，只能采用小波幅及高連接力但是，由于冷整形的比例高，會導致受壓焊道內產生微裂紋。另外，由于這些參數的共同影響，最終的連接時間會大幅延長。
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通過在螺柱內設計交錯孔道實現了對管狀螺柱的進一步優化，從而為被超聲波焊頭替換掉的材料創造了額外的空間，防止了焊道中材料的溢出
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_( }; l, o$ e* z' C! a可根據最終熔體調整體積優化的幾何形狀2則避免了材料溢出，從而獲得理想的焊道形狀。' b: ?" N# W9 J2 x- L) D! F% e5 C+ ^
) A' F, K+ W. a' k8 b" ~- h由于管狀螺柱的承載斷面并未變化，新的內部形狀不會對有效斷裂強度產生負面影響。新的幾何形狀2有利于在較寬的工藝窗口內形成光學效果比較理想的焊道形狀。對于PA66-GF30而言，當波幅為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濟的范圍內，為1.5s
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與其它鉚接工藝的比較
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5 a+ ~2 w8 N8 J0 O結果表明，超聲波壓力鉚接方法可以滿足高技術要求和經濟性要求。& N6 T3 j2 Z- h ~
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與其它三種熱鉚接方式（熱成形、熱燙接、熱空氣鉚接）及傳統的超聲波熔接相比，超聲波壓力鉚接的斷裂應變最大。所考察應用的是頭部尺寸不同的兩種DVS-標準實心螺柱幾何形狀，一種DVS-標準的管狀螺柱幾何形狀，以及新近為超聲波壓力鉚接開發的管狀結構。
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( o; g0 u1 N4 G( T/ q5 {0 A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。
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評估機械性能時，對于新的超聲波鉚接工藝必須考慮采用管狀螺柱。該工藝可達到的最大強度是87±3MPa。當然，它低于長DVS實心鉚釘熱成型達到的強度。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到的強度，其最大值僅為63±5MPa。0 [1 p h6 K+ ?; i
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優勢及局限
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1 q5 f( u* P! C8 |與熱鉚接技術相比，超聲波壓力鉚接的連接時間具有明顯優勢。根據手頭掌握的案例，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時間和推薦的冷卻時間。3 r9 [9 @! k: l% ^, v8 [: r
4 k0 e3 w, e: d# d: Q當前新工藝的設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）適當的直徑。減少鉚釘焊道上方殘留的浮層是本次研究的目標。但就目前來說，與斷裂強度較低而所需空間也較小的傳統DVS鉚釘相比，這仍然是一個劣勢。
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結論' f, T" n2 d0 L) P3 D
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超聲波壓力鉚接涉及到一系列廣泛的材料，可用于新型精細材料的連接。其技術秘訣在于鉚釘和超聲波焊頭的設計，螺柱為管狀，而孔道深度可根據用途不同調節則是其一大特點。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行參數微調，從而實現有針對性的能量輸入，并與采用多個螺柱時可能出現的部件間隙相適應。通過工件和工具的形狀創新，超聲波輸入幾乎完全不耦合，從而保護了敏感部件。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。新方法的實際應用包括PCB、板、磁性材料、板材等的鉚接。$ n9 P: e3 Z: G7 @
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發表于 2015-11-29 19:00:32
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