超聲波鉚接：短時間內(nèi)形成堅固連接

寂靜天花板

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,。
- ?6 ?' k2 j, o) N! D8 S傳統(tǒng)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(jié)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(jié)合）和多組件系統(tǒng)使用的增加。這些應用領域?qū)τ诋a(chǎn)品的機械和光學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,。
4 y8 d( e3 Z8 X* z. [        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1

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)大學的塑料研究機構合作開發(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。
; Q: E6 B2 `9 k3 C: c% 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?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用超聲波。

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(yè)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,。
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本實驗在Herrmann Ultraschall HiQ Dialog SpeedControl 1200超聲焊接機（系統(tǒng)頻率為35kHz）上進行。該設備配備了數(shù)碼超聲波發(fā)生器,，可進行調(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,，該設備具備可對相關工藝參數(shù)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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6 u- h& {' L  h0 b0 e鉚接螺柱及超聲波發(fā)生器的新幾何特征
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% X; ^5 D- x' S" c% r# u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�的梯級孔��,。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,，這種設計是為了適應管狀鉚釘?shù)目椎馈?br /> + C% H& D) y# c$ z* P

1 D6 o% g% o6 [/ H對鉚接質(zhì)量的光學和機械性能評估

4 ]+ V/ c  \7 q: M: d所進行的分析側(cè)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(nèi)外螺柱焊道的形成,。
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研究顯示，連接質(zhì)量與管狀螺柱的設計密切相關,。
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,。

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(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。
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2 ?7 {& g0 B- J& E通過在螺柱內(nèi)設計交錯孔道實現(xiàn)了對管狀螺柱的進一步優(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,。
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$ q# M- H2 o* S# W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(jīng)濟的范圍內(nèi),，為1.5s

* K9 n  g- \: P+ ~# k/ B" w; x1 |與其它鉚接工藝的比較

' N9 r' Q# v) A$ s  ~結(jié)果表明，超聲波壓力鉚接方法可以滿足高技術要求和經(jīng)濟性要求,。
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/ ?6 y* l$ r, V# _; b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(fā)的管狀結(jié)構,。

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& |4 ]  |/ d5 x  |- c8 t' L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,。
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優(yōu)勢及局限

1 `, E& O7 A7 Y9 p" n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(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時間和推薦的冷卻時間。
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3 t6 B1 @' N; W4 B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?shù)闹睆�,。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(tǒng)DVS鉚釘相比,，這仍然是一個劣勢,。
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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(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,。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,。


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不錯,。,。學到了知識

laodongbeiren

頻率為35kHz-----------這個人耳朵聽不到了吧？