簡談汽車塑料焊接技術

焊接技術    時間:2014-03-12 20:26:41
簡談汽車塑料焊接技術簡介
 一件塑料成品可能由多種材料或部件製成,要將各部件結合起來,可使用機械固定件、粘合劑及焊接工藝加工。在這三種接合方式中,機械固定件可快速將兩種……
簡談汽車塑料焊接技術正文

 一件塑料成品可能由多種材料或部件製成,要將各部件結合起來,可使用機械固定件、粘合劑及焊接工藝加工。在這三種接合方式中,機械固定件可快速將兩種部件連接,但接縫的防漏功能較差,局部應力也會容易使聚合物材料之間脫離;粘合劑可形成防漏功能優良的接縫,可是其處理難度較大,固化速度慢。同時,採用粘合劑粘合時,接縫準備程序和表面清潔度要求較高;而焊接工藝的效果最佳,可產生粘合穩固的接縫,其力學性能接近於母體材料,且焊接形式多樣,可根據不同材料、尺寸和用途而使用不同的焊接工藝。
所謂塑料部件的焊接,就是採用加熱的方式使兩個熱塑性塑料部件的表面同時熔融,在外力的作用下使兩個部件結合為一體。塑料焊接工藝可分為兩類:一是機械移動式焊接工藝,包括超聲波焊接、摩擦焊接和振動焊接;二是外部加熱式焊接工藝,包括熱板焊接、熱氣焊接和植入焊接。根據加熱方式的不同,還可以分為加熱工具焊接、感應焊接、超聲波焊接、高頻焊接、熱板焊接、激光焊接、振動摩擦焊接、紅外線焊接、熱樁焊接以及熱風焊接等。
在現代車輛的外裝飾件、內裝飾件、功能件與結構件上,到處可以看到塑料製件的影子。由塑料代替傳統的金屬材料,達到了十分突出的減重效果,這對於節約能源、降低溫室氣體排放都具有重要的意義。
如汽車塑料進氣歧管替代金屬可減輕40%~60%的質量,且表面光清、流動阻力小,可提高發動機性能,並在提高燃燒效率、降低油耗和減振降噪方面都可起到一定的作用。據統計,汽車用塑料品種目前已達幾十種,包括聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、ABS、尼龍和熱固性複合材料等。平均每輛汽車塑料用量已佔汽車自重的5%~10%,輕量化、安全性和裝飾性的要求也帶動了塑料焊接技術在汽車領域的發展。
目前,塑料焊接技術已被成功地運用於汽車保險杠、儀錶板和儀錶盤、剎車燈、安全氣囊、汽車工具箱、汽車門板以及其他與發動機有關的零部件製造工業中。隨著許多傳統使用金屬的零部件開始用塑料代替,如進氣歧管、儀錶指針、散熱器加固、油箱和過濾器等,塑料焊接領域的新技術應用及技術研究得到了非常好的發展機遇,低能耗、高效率、無毒且無污染的焊接設備將成為今後汽車焊接線上的技術進步趨勢。
紅外線焊接
在上述焊接工藝中,紅外線焊接技能以其特有的優勢而越來越受到市場的青睞,其一大長處是採用非接觸式的加熱方法對塑料工件進行加熱。兩個待焊接的零件表面在紅外線的映照下可疾速凝聚,經壓合冷卻后即粘接在一起,並可獲得極高的焊接強度。這就意味著即使是複雜的三維待焊接面也可以被塑化,相應地,很多採用其他焊接工藝不能完成的設計方案在此就可以被隨意地完成。因此,紅外線焊接技能特別適合用於複雜曲面的零件以及大型結構性塑料零件。經紅外線焊接后的兩個部件,它們之間的接合強度遠比採用其他焊接工藝的強度要高。部件間的焊縫可抵達100%的氣密性,因而不會有漏風或漏液體的現象發生。與汽車行業中常常採用的振動摩擦焊接相比,經紅外線焊接的部件不會在焊縫處出現焊渣或飛邊,因此極其適用於大型汽車零部件,如儀錶板、中控台和門護板等,以及一些複雜曲面的小型部件,如過濾器、排風系統元件和剎車油盤等部件的焊接。作為一家具有多種焊接技能的製造商,德國FRIMO公司供應的紅外線焊接設備是一種基於短波紅外線的發生器,其特徵是啟動和封閉都非常快速。
在疾速移動到待加熱的塑料零件表面后,僅需短短的數十秒鐘,即可將工件的表面按設定的深度極速塑化。
熱風焊接
所謂塑料部件的熱風焊接,是利用壓縮空氣或惰性氣體經過焊接槍中的加熱器加熱到焊接塑料所需溫度的熱氣流(典型的溫度為200℃~300℃,流速達15~60L/min),同時對焊條和焊件加熱,當材料表面軟化達到黏稠狀態時,焊條連續壓進到焊縫中。焊條材料完全與母材成份相同,通常是圓形的(直徑約3mm),焊接厚板時採用多焊道焊接。圓形焊條的一個缺點是,在多焊道過程中空氣泡容易截留在焊縫中,造成強度降低,這個問題可以通過採用三角形截面焊條解決。可用熱風焊接的典型材料包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、有機玻璃、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯乙烯、尼龍和ABS等。該方法的主要優點是適應性強,可用簡單的攜帶型設備加工大型、複雜的零部件,適用於不規則結構。但此法速度慢,焊接質量在很大程度上依賴於操作者的技能,故很少用於批量生產,通常用於修理操作。
熱風焊接由供氣系統、焊槍調壓變壓器及其他附屬設備組成,所用的氣體隨焊件的種類而異,如對PVC用空氣,對易氧化的聚乙烯、聚丙烯等最好用氮氣或一氧化碳。熱風焊接的焊縫強度主要取決於焊件和焊條的塑料種類、焊縫結構、待加工面的機械加工質量和焊接技術。
通常,焊條的化學組成與焊件相同,但也可用主要成份相似的焊條。對圓桿狀焊條來說,其直徑大則焊縫被加熱的次數減小,焊縫強度高。但如果焊條直徑超過5mm,則其外表和內部受熱不均,可能會產生裂縫,通常要求焊條直徑應不大於3.5mm。圓形焊條有單焊條和雙焊條之分,後者為雙條並聯、中間有槽的焊條,與單焊條相比,它具有受熱面積大而均勻延伸率低、焊接強度可提高60%~70%、焊縫小且美觀等特點。
在焊接過程中,熱風溫度是影響焊接質量的關鍵。溫度過高易引起塑料降解或產生氣泡而影響強度,反之則熔合不良。在實際操作中不要求塑料焊條熔融和流動,只需要達到軟化至黏稠狀態即可獲得良好的接合效果。焊接時,首先將焊條放在介面處,焊槍噴嘴朝著介面並和焊條保持一定的距離,在擺動焊槍的情況下,使噴出的熱氣流對待焊的兩個表面和焊條作均勻的加熱。當待焊的兩個表面和焊條已軟化時,就使焊條在適當的壓力下並與焊面保持一定的角度,沿焊接的方向作等速的前進。
擠出焊接是熱風焊接的一種,其熱風用於預熱焊件,焊條的加熱熔化是使用一個微型的手持式擠出機,它將焊條擠入料筒使其熔融,再擠出到焊接表面。由於焊接表面已經預熱黏稠,在PVDF焊靴模嘴的壓力作用下,擠出的焊料焊接在塑件上,再經冷卻變硬使得焊接部件結合為一體。
振動摩擦焊接
振動摩擦焊接也稱為線性摩擦焊接,兩個熱塑性部件在適當的壓力、頻率和振幅下相互摩擦,直到產生足夠的熱量使聚合物熔融為止。振動停止后,部件彼此對齊,熔化的聚合物固化后便完成焊接,且固化后的介面強度與塑料的本體強度相當。
振動摩擦焊接類似於旋轉焊接,區別在於運動為直線運動而非旋轉運動。這一焊接法十分快速,振動頻率一般為100~240Hz,振幅為1~5mm。此焊接工藝的主要優點在於能高速焊接大型複雜線性部件,以及能同時焊接多個部件,所用焊接工具簡單,幾乎能焊接所有熱塑性材料,包括無定形樹脂如ABS、PC、PVC、PMMA及PES,半結晶樹脂如HDPE、PA、PP和TPO。可焊接的部件包括注塑部件、擠塑部件、吹塑部件、熱成型部件、發泡部件和衝壓部件,主要應用於汽車和家用電器行業。
旋轉摩擦焊接是通過工件的相對高速旋轉摩擦,將機械能轉換成熱能,使被焊接工件的接觸面摩擦升溫而熔化后再加壓,從而焊接在一起。該工藝不受工件尺寸和材料的限制,並且焊接強度比其他塑料焊接工藝更高,幾乎接近塑料的本體強度,適用於壁厚大、連接強度要求高的迴轉體工件的焊接,如進氣歧管等。
熱板熱熔焊接
熱板熱熔焊接是利用表面熱傳導方式,使被焊接塑料工件表面熔化的熱塑性焊接工藝。對於塑料接合來說,熱板焊接是最簡單的批量生產技術。高溫熱板夾於待接縫的部件表面之間,直到表面軟化為止。此時,將熱板抽出,兩表面在受控壓力之下貼合,保持一段特定的時間后熔合在一起。然後,冷卻熔融表面從而完成焊接。
熱板焊接的焊接工具或加熱組件配有內置電熱器,以避免塑料粘連於焊接工具上。根據待焊接材料的厚度和類型,焊接溫度一般介於180℃~230℃之間。這種焊接方法常用於焊接供氣、供水、排水塑料管和化工行業所用塑料管的端頭,以及將加油管和接頭焊接於汽車用吹塑油箱上。熱板熱熔焊接不受零件材料和尺寸的限制,且焊接密封性好,適用於超聲波焊接難熔的塑料件和大尺寸異形工件焊接,如安全氣囊、儀錶盤、遮陽板、車載飲水機、尾燈、膨脹水箱和剎車油杯等。許多日常用品也採用這一焊接工藝,例如吸塵器外殼,洗衣機和洗碗機部件、制動液油箱、汽車后燈和指示燈等汽車部件。熱板焊接法的弊端在於焊接速度較慢,小型件的焊接時間一般為10~20s,大型管的焊接時間則長達30min。
熱板焊接設備可控制熱板焊接模具橫向或縱向移動,傳動系統採用氣動、液壓驅動或伺服電動機推動。熱板焊接技術的優點是可應用於大小不同的工件,無面積限制,適用於任何焊接面,允許塑料余量補償,焊接強度有保證,還可根據各種材料的需要來調整焊接程序(如調整焊接溫度、焊接時間、冷卻時間、輸入氣壓、熔接溫度及轉接時間等),在焊接過程中設備能保持良好的穩定性、一致的焊接效果及工件加工后高度的準確性。
超聲波焊接
超聲波焊接的原理是通過超聲波發生器將50/60Hz的電流轉換成15、20、30或40kHz的電能,被轉換的高頻電能通過換能器再次被轉換成為同等頻率的機械運動,隨後機械運動通過一套可以改變振幅的調幅器裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動能量傳遞到待焊接工件的接合部,在該區域,振動能量被通過摩擦方式轉換成熱能將塑料熔化,從而達到焊接的目的。超聲波不僅可以被用來焊接硬熱塑性塑料,還可加工織物和薄膜。
超聲波焊接系統的主要組件包括超聲波發生器、換能器/調幅器/焊頭三聯組、模具和機架。超聲波焊接可處理各種熱塑性部件,在焊接時,既不需要添加任何粘接劑、填料或溶劑,也不消耗大量熱源,具有操作簡便、焊接速度快、焊接強度高和生產效率高等優點。因此,該技術得到了越來越廣泛的應用,絕大部分的超聲波焊接可以在0.25~0.5s內完成。超聲波焊接適用於焊接面積較小、結構規則和熱塑性的塑料件,如車窗馬達、內置音響、腳墊、門板、離合拔叉、備胎箱、保險杠、濾清器和前擋板等汽車部件。
激光焊接
激光焊接塑料的基本原理是,兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起,近紅外線激光NIR(波長810~1064nm)透射過一個製品,然後被另外一個製品吸收,吸收激光能量的製品將光能轉化為熱能,在兩種塑料的接觸面熔化並形成一個焊接區。一般來說,激光束固定,塑料工件置於受程序控制的多維可移動的工作台上,激光束便沿著焊縫處快速掃描從而達到焊接的目的。如通過掩膜照射,激光束僅加熱製品上沒有被掩膜遮住的部分,可以快速焊接複雜的焊縫。
激光焊接技術主要有以下幾方面的優點:能生成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊縫,樹脂降解少、產生的碎屑少;易於控制,具有良好的適應性,可焊接尺寸小或外形結構複雜的工件;極大地減小了製品的振動應力和熱應力;能夠將許多種類不同的材料焊接在一起。這種焊接方法能夠形成超過原材料強度的焊接縫,主要用於連接敏感性的塑料製品,例如線路板、有塑料零件的電子感應器、複雜形狀的塑料製品及醫療塑料等要求嚴格密封及潔凈的製品。
目前,激光焊接技術在醫療器械製造業中得到了極其廣泛的使用,但在汽車等行業中的應用還不是十分成熟。隨著技術的進步與發展,如今,已經有多家公司開始相繼推出激光焊接設備,而新型的塑料和添加劑,也令彩色塑料製品的激光焊接成為了可能。塑料供應商一直在不斷地改進其現有配方,以優化塑料對激光的透射率或吸收率。這些因素均使得塑料製品的激光焊接工藝得到了迅速發展。事實上,在某些應用中,相對於超聲波焊接、振動焊接和熱平板焊接等工藝,激光焊接更具有成本和性能方面的優勢。          

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