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標(biāo)題: 超聲波鉚接：短時(shí)間內(nèi)形成堅(jiān)固連接 [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時(shí)間: 2015-11-29 19:00
標(biāo)題: 超聲波鉚接：短時(shí)間內(nèi)形成堅(jiān)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(diǎn)是鉚接時(shí)間短,，且斷裂拉伸強(qiáng)力高。
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(shí)現(xiàn)更高的連接強(qiáng)度與更短的加工周期,。
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(diǎn),，已開發(fā)出鉚接工藝加以應(yīng)對(duì)。在鉚接過程中,，通過對(duì)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(diǎn),。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(huì)導(dǎo)致強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致連接加工時(shí)間的大幅延長(zhǎng),。圖1
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鑒于以上原因，德國(guó)卡爾斯巴德的Herrmann Ultraschall GmbH & Co. KG,，和德國(guó)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(gè)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,。
第一個(gè)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(gè)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(diǎn)（圖2）,。根據(jù)所用材料的不同,，施壓時(shí)可選擇是否應(yīng)用超聲波。
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實(shí)驗(yàn)研究主要集中在PA66-GF30（制造商：巴斯夫公司,，德國(guó)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(duì)鉚接工藝提出了極高的要求,。此外,，還對(duì)ABS-PC、POM,、PBT-GF30,、PC-GF20和PMMA開展了積極的研究，以證實(shí)這一工藝在一系列廣泛應(yīng)用中的適用性,。

本實(shí)驗(yàn)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(dòng)概念則提供了精確的連接力控制,，這樣就將液壓傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)和電力傳動(dòng)的力度結(jié)合了起來。因此,，該設(shè)備具備可對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行精確記錄和評(píng)估的特點(diǎn),，如幅度、連接路徑,、連接力曲線等,。

鉚接螺柱及超聲波發(fā)生器的新幾何特征

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性探索所采用的試樣，因?yàn)樵谀＞邇?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(duì)象的上方幾何形狀2為向鉚釘?shù)撞恐鸩阶冋奶菁?jí)孔道,。連接對(duì)象為3mm厚的U形鋼材,，翼緣長(zhǎng)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(jì)是為了適應(yīng)管狀鉚釘?shù)目椎馈?font class="jammer">$ {7 P" t7 k2 ?9 A4 ?' U2 {2 ~9 W

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對(duì)鉚接質(zhì)量的光學(xué)和機(jī)械性能評(píng)估

所進(jìn)行的分析側(cè)重于確定當(dāng)測(cè)試速度為5mm/min時(shí)的拉伸測(cè)試中的特定斷裂強(qiáng)力。通過肉眼和顯微鏡,，采用顯微截面來評(píng)估內(nèi)外螺柱焊道的形成,。

研究顯示,，連接質(zhì)量與管狀螺柱的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。
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(shí)間縮短。

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(duì)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(shí),，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(huì)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(shí)間會(huì)大幅延長(zhǎng)。

通過在螺柱內(nèi)設(shè)計(jì)交錯(cuò)孔道實(shí)現(xiàn)了對(duì)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

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,。

由于管狀螺柱的承載斷面并未變化,，新的內(nèi)部形狀不會(huì)對(duì)有效斷裂強(qiáng)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(duì)于PA66-GF30而言,，當(dāng)波幅為20µm、連接力為 300N時(shí)最為理想,，而所得到的斷裂力為460N,。所要求的連接時(shí)間處于十分經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)，為1.5s

與其它鉚接工藝的比較

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,。

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(shí)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)。

與市場(chǎng)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(qiáng)度和更短的連接時(shí)間,。

評(píng)估機(jī)械性能時(shí),，對(duì)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(qiáng)度是87±3MPa,。當(dāng)然,，它低于長(zhǎng)DVS實(shí)心鉚釘熱成型達(dá)到的強(qiáng)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(qiáng)度，其最大值僅為63±5MPa,。

優(yōu)勢(shì)及局限

與熱鉚接技術(shù)相比,，超聲波壓力鉚接的連接時(shí)間具有明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)手頭掌握的案例,，連接時(shí)間約為1.6秒,，但需要考慮額外的1秒鐘保持時(shí)間。熱鉚接方法一般需要的連接時(shí)間明顯較長(zhǎng),，為10秒~20秒,，還沒有考慮熱燙接的熱機(jī)時(shí)間和推薦的冷卻時(shí)間。

當(dāng)前新工藝的設(shè)計(jì)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)闹睆健p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(qiáng)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(gè)劣勢(shì),。

結(jié)論

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(jì),，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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的能量輸入，并與采用多個(gè)螺柱時(shí)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(qiáng)度之外,，鉚接工藝連接時(shí)間最長(zhǎng)不超過3秒（含保持時(shí)間），顯著低于其它熱鉚接方式所需要的幾十秒,。新方法的實(shí)際應(yīng)用包括PCB,、板,、磁性材料、板材等的鉚接,。

作者: 63614393 時(shí)間: 2015-11-29 21:36
不錯(cuò),。。學(xué)到了知識(shí)

作者: laodongbeiren 時(shí)間: 2015-11-30 08:36
頻率為35kHz-----------這個(gè)人耳朵聽不到了吧,？

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