超声波焊接材料的特性

　　超声波焊接的机理是当两焊件界面的塑料一起达到熔化状态时,界面的分子链会打开并相互纠缠在一起,冷却后两焊件被焊在一起。焊接的机理如图1.4所示[16]。如图1.4a所示,在室温下,分子链是固定的并被限制在焊件表面内。图1.4b随着超声振动传递,分子内相互摩擦和两界面的摩擦产生热量,当温度达到材料的玻璃化转变温度时,分子键段开始送动。继续升温,当界面温度达到熔化温度,材料软化,分子链变为自由态,在焊接面相互扩散,如图1.4c所示。界面两側的分子链都会相互扩散一定的深度,最后,全部的分子链会失去原来的状态,发生相互滲透扩散,图1.4d。

　　热塑性塑料可以分为无定型塑料(非结晶性塑料)与半结品性塑料。热塑性塑料对超声波的反应与是否结品有很大关系。非结品性塑料表现更多的弹性,而结晶性塑料表现为黏滞性[17]。非结晶性塑料的(如ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯等)分子链在随机分布。当非结晶塑料加热高于玻璃态转变温度后,分子键才开始运动扩散,材料软化。非结品性塑料固态时是刚性的,对超声波的耗散作用小,因此非结品性塑料即可用于近场焊接也可用于远场焊接。因为非结晶性塑料没有固定的熔点,在较宽的温度范国内都可以发生熔化,所以在焊接时需要的能量较少[18]。但是非结晶性材料的强度较结品性塑料低,在结构应用方面受到限制。

　半结晶性塑料(如尼龙、聚乙烯、聚丙烯等)的分子一部分排列规则,有很高的熔点和再凝固点,固体状态下这些分子像弹簧一样吸收超声波的机械振动,而不是将超声波传递至焊接面。当温度达到玻璃态转变温度时,半结品型塑料也会软化。当温度继续上升,材料还不会流动,只有当温度达到熔点时,才会发生流动。所以结品性塑料较难于进行超声波焊接。

     Benatar等人发现非结晶和半结晶性塑料都可以通过近场焊接的方式焊接成功[13],但是只有非结晶性塑料能够在远场焊接的方式焊接[141,而且非结品性塑料的焊接强度也较高。在最高的焊接温度下,焊接的强度能够达到最大。将最高的焊接温度定义为对材料应用特性不发生损害的最高温度。为了得到较高的焊接强度而不损害材料的性能,一般要求对非结晶性塑料焊接温度不超过玻璃化转变温度的75%,对半结晶性塑料焊接温度不超过熔点的75%[19]。

　　　在热塑性塑料中加入碳纤维通常能提高材料的强度和刚度,由于碳纤维的密度较小并不会增加复合材料的密度。然而,碳纤维含量高的热塑性复合材料的导-热性、导电性都会提高。男外,碳纤维含量的提高会减少焊接过程中塑料熔化的量,同时也会减少超声后重新凝固塑料的数量,而这会影响材料的焊接质量[2o]。