專利名稱：聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚醚醚酮塑料接頭的焊接裝置及其方法。
技術(shù)背景聚醚醚酮塑料具有比強度高、比剛度高、抗沖擊韌性強、耐高溫、抗腐蝕、 抗細菌等優(yōu)點，因而廣泛應用于航空航天工業(yè)、汽車、石油機械、食品機械、 半導體制造機械、閥門機構(gòu)等領(lǐng)域。尤其是隨著聚醚醚酮塑料價格的降低，其 應用范圍更是快速增長。聚醚醚酮塑料的焊接技術(shù)同樣也越來越受到重視。由于聚醚醚酮塑料具有高達334°C的熔點和35%的結(jié)晶度，采用傳統(tǒng)的 塑料焊接方法焊接時，焊接效果差。采用熱板焊，聚醚醚酮塑料的結(jié)晶特性使 得待焊表面在離開輻射熱源的瞬間就會凝固，不會產(chǎn)生連接。采用熱氣焊時， 熱風的溫度難以達到334。C以上，也不能進行焊接。采用普通的塑料超聲波技術(shù)進行高熔點聚醚醚酮材料悍接時，必須采用 30pm以上的焊接振幅，這會導致焊接過程中，在界面樹脂熔體內(nèi)產(chǎn)生嚴重的 超聲霧化現(xiàn)象，最終得到具有多孔狀的結(jié)構(gòu)的焊縫。這不僅大大降低了接頭強 度，而且使得焊縫的密封性能下降。另外，采用30pm以上的焊接振幅時，超 聲振動會對焊件上的應力集中部位產(chǎn)生破壞作用。而采用30pm以下的焊接振 幅時，焊接界面上產(chǎn)生的熱量不足，下焊件表面樹脂不發(fā)生熔化，因而不能形 成焊接接頭。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有焊接技術(shù)中存在的焊接接頭的強度和密封性低的問 題，而提出的一種聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接裝置及方法。本發(fā)明的裝置由夾具3、電阻加熱板4、云母板5、石棉9、熱電偶12、 控溫箱10和超聲波焊機組成；上焊件1和下焊件2置于夾具的凹槽內(nèi)，夾具 3的下方設(shè)置有電阻加熱板4，在電阻加熱板4與超聲波焊機的工作臺11之間 放置一層云母板5，在上焊件l、下焊件2、夾具3和電阻加熱板4上罩有石 棉9，在石棉9上分別開有焊道口和溫控口，超聲波焊機的焊頭7置于石棉9
的焊道口內(nèi)的焊件的焊接部位，石棉9的溫控口內(nèi)設(shè)置有熱電偶12，熱電偶 12的測量端置于上焊件1的表面，熱電偶12的參比端置于爐體外部并連接控 溫箱10的輸入端，控溫箱10的控制端連接電阻加熱板4的受控端。 本發(fā)明方法的步驟如下步驟一焊件預熱將上焊件1和下焊件2放入夾具3中，并通過夾具3的下方放置的電阻加熱板4將焊件加熱到260 300。C;步驟二設(shè)定參數(shù)設(shè)定超聲波焊機的焊接壓力為200-500N，焊接時間 為2 3s，保壓時間為3 5min;步驟三進行焊接啟動超聲波焊機，超聲波焊機的焊頭7在其氣缸8 的推動下壓緊上焊件1的上表面，同時超聲波焊機發(fā)出觸發(fā)超聲波使焊頭7 的振幅為25 30^im，在觸發(fā)超聲波和電阻加熱板4的作用下焊接界面上的樹脂發(fā)生熔化，形成連接；步驟四完成焊接超聲振動停止后，并停止電阻加熱板4的加熱，根據(jù)設(shè)定的保壓時間繼續(xù)保持焊接壓力直至完成焊接。本發(fā)明是在普通塑料超聲波焊接的基礎(chǔ)上附加其它熱能，改變塑料熔化過 程，具有了如下特點-(1) 通過預熱的方式，克服了采用30pm以下焊接振幅焊接時界面樹脂不發(fā) 生熔化的問題；(2) 采用小的焊接振幅，降低了界面樹脂熔體內(nèi)的聲壓，避免了超聲波焊 接過程中空化泡的產(chǎn)生，降低了液態(tài)樹脂超聲霧化傾向，消除了多孔狀的焊縫 結(jié)構(gòu)，接頭強度達到母材強度的70%以上；(3) 采用整體的加熱方式，焊接時焊件處于較低的彈性模量狀態(tài)，進一步減小了界面樹脂熔體內(nèi)的聲壓，進一步降低了超聲霧化傾向；(4) 焊縫多孔狀結(jié)構(gòu)的消除，焊縫的致密性與母材相當，從而大大提高了 焊接接頭的密封性；(5) 采用較小的焊接振幅，不僅可以避免采用昂貴的大功率超聲波焊機，而且避免大振幅條件下，強烈的振動對焊接結(jié)構(gòu)的損傷。
圖1是本發(fā)明焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的焊接參數(shù)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結(jié)合圖l說明本實施方式，本實施方式由夾具3、電阻 加熱板4、云母板5、石棉9、熱電偶12、控溫箱10和超聲波焊機組成；上焊 件1和下焊件2置于夾具的凹槽內(nèi)，夾具3的下方設(shè)置有電阻加熱板4，在電 阻加熱板4與超聲波焊機的工作臺11之間放置一層云母板5，以防止熱量的 散失和保護超聲波焊機的電路系統(tǒng)；在上焊件l、下焊件2、夾具3和電阻加 熱板4上罩有石棉9，起到保溫的目的，在石棉9上分別開有焊道口和溫控口 ， 超聲波焊機的焊頭7置于石棉9的焊道口內(nèi)的焊件的焊接部位，石棉9的溫控 口內(nèi)設(shè)置有熱電偶12，熱電偶12的測量端置于上焊件1的表面，熱電偶12 的參比端置于爐體外部并連接控溫箱10的輸入端，控溫箱10的控制端連接電 阻加熱板4的受控端，溫控裝置10通過熱電耦12檢測預熱的溫度，與設(shè)定的 預熱溫度比較后，通過溫控裝置10通斷電阻加熱板4的電流的方式來控制焊 件上的溫度在預熱溫度值附近。本發(fā)明中采用2KW以下的、固定頻率為20kHz 的普通塑料超聲波焊機進行焊接。
具體實施方式
二結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同點在于夾具3為金屬材料，采用金屬夾具能夠保證悍件上溫度分布均 勻。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的步驟如下步驟一焊件預熱將上焊件1和下焊件2放入夾具3中，并通過夾具3的下方放置的電阻加熱板4將焊件加熱到260 300。C;步驟二設(shè)定參數(shù)設(shè)定超聲波焊機的焊接壓力為200 500N，焊接時間 為2 3s，保壓時間為3 5min;步驟三進行焊接啟動超聲波焊機，超聲波焊機的焊頭7在其氣缸8的推動下壓緊上焊件1的上表面，同時超聲波焊機發(fā)出觸發(fā)超聲波使焊頭7 的振幅為25 30)im，在觸發(fā)超聲波和電阻加熱板4的作用下焊接界面上的樹脂 發(fā)生熔化，形成連接；步驟四完成焊接超聲振動停止后，并停止電阻加熱板4的加熱，根據(jù) 設(shè)定的保壓時間繼續(xù)保持焊接壓力直至完成焊接。
具體實施方式
四結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
三不同點在于上焊件1接頭的焊接表面預制有高為0.3 0.8mm、頂角為 60。 120。的三角形或半圓形導能筋6,上焊件1接頭的導能筋6與下焊件2接 頭的焊接表面采用搭接的形式。其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三不同點在于電阻加熱板4 的預熱升溫速度為20°C/min，其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
三不同點在于電阻加熱板4 將焊件加熱到270~290°C。其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
三不同點在于電阻加熱板4 將焊件加熱到2S0。C。其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
三不同點在于焊接壓力為 300~400N。其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
三不同點在于焊接壓力為 350N。其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
三不同點在于保壓時間為 3.5 4.5min。其它步驟與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
三不同點在于保壓時間為 4min。其它步驟與具體實施方式
三相同。
權(quán)利要求
1、 聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接裝置，其特征在于它由夾具(3)、電阻加熱板(4)、云母板(5)、石棉(9)、熱電偶(12)、控溫箱(10)和超聲波 焊機組成；上焊件(1)和下焊件(2)置于夾具的凹槽內(nèi)，夾具(3)的下方設(shè)置有電 阻加熱板(4)，在電阻加熱板(4)與超聲波焊機的工作臺(11)之間放置一層云母板 (5)，在上焊件(l)、下焊件(2)、夾具(3)和電阻加熱板(4)上罩有石棉(9)，在石棉 (9)上分別開有焊道口和溫控口 ，超聲波焊機的焊頭(7)置于石棉(9)的焊道口內(nèi) 的焊件的焊接部位，石棉(9)的溫控口內(nèi)設(shè)置有熱電偶(12)，熱電偶(12)的測量 端置于上焊件(l)的表面，熱電偶(12)的參比端置于爐體外部并連接控溫箱(10) 的輸入端，控溫箱(10)的控制端連接電阻加熱板(4)的受控端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接裝 置，其特征在于夾具(3)為金屬材料。
3、 用權(quán)利要求1所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接裝置 進行焊接的方法，其特征在于它的步驟如下步驟一焊件預熱將上焊件(1)和下焊件(2)放入夾具(3)中，并通過夾具 (3)的下方放置的電阻加熱板(4)將焊件加熱到260 300。C;步驟二設(shè)定參數(shù)設(shè)定超聲波焊機的焊接壓力為200 500N，焊接時間 為2 3s，保壓時間為3 5min;步驟三進行焊接啟動超聲波焊機，超聲波焊機的焊頭(7)在其氣缸(8) 的推動下壓緊上焊件(l)的上表面，同時超聲波焊機發(fā)出觸發(fā)超聲波使焊頭(7) 的振幅為25 30pm，在觸發(fā)超聲波和電阻加熱板(4)的作用下焊接界面上的樹 脂發(fā)生熔化，形成連接；步驟四完成焊接超聲振動停止后，并停止電阻加熱板(4)的加熱，根 據(jù)設(shè)定的保壓時間繼續(xù)保持焊接壓力直至完成焊接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于上焊件(l)接頭的焊接表面預制有高為0.3 0.8mm、頂角為 60°~120°的三角形或半圓形導能筋(6)，上焊件(1)接頭的導能筋(6)與下焊件(2) 接頭的焊接表面采用搭接的形式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于電阻加熱板(4)的預熱升溫速度為20。C/min。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于電阻加熱板(4)將悍件加熱到270~290°C。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于電阻加熱板(4)將焊件加熱到280°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于焊接壓力為300 400N。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于焊接壓力為350N。
10、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接方 法，其特征在于保壓時間為3.5 4.5min。
全文摘要
聚醚醚酮塑料高致密性接頭預熱超聲波焊接裝置及方法，它涉及聚醚醚酮塑料接頭的焊接領(lǐng)域。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有焊接技術(shù)存在的焊接接頭強度和密封性低的問題。它的裝置的夾具下方置有電阻加熱板，電阻加熱板與工作臺之間放有云母板，在焊件、夾具和電阻加熱板上罩有石棉，在石棉上開有焊道口和溫控口，焊頭置于石棉的焊道口內(nèi)，石棉的溫控口設(shè)有熱電偶，熱電偶測量端置焊件表面，熱電偶參比端置爐外連控溫箱輸入端，控溫箱控制端連電阻加熱板受控端。方法如下一、焊件預熱；二、設(shè)定參數(shù)；三、進行焊接；四、完成焊接。本發(fā)明具有減小液態(tài)樹脂超聲霧化傾向，使焊接接頭不僅具有接近本身材質(zhì)的斷裂強度，而且提高接頭的密封性能。
文檔編號B29K61/00GK101121300SQ200710144328
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日
發(fā)明者李瑞琦, 楊士勤, 王曉林, 閆久春 申請人:哈爾濱工業(yè)大學