CN112026185A - 超声波热塑性材料焊接方法、导能构件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于塑料连接技术领域，公开了超声波热塑性材料焊接方法、导能构件及其应用，在焊接过程中在待焊工件之间设置导能构件，导能构件至少覆盖待焊工件的焊接区域；导能构件为具有网孔的网状片体，导能构件的材料为金属、热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，热塑性树脂或者纤维增强热塑性复合材料与所述待焊工件的材料相同或相容。本发明能够起到稳定焊接过程、提高焊接质量的作用；同时导能构件安置方便快捷，制造成本低，克服了传统在待焊工件表面加工导能筋存在的各种问题，也克服了现有文献报道中的平面导能筋和无导能筋的局限性，能够降低超声波热塑性材料焊接生产成本，提高焊接效率。

Description

超声波热塑性材料焊接方法、导能构件及其应用

技术领域

本发明属于塑料连接技术领域，尤其是涉及一种超声波热塑性材料焊接方法。

背景技术

超声波热塑性材料焊接是一种通过将高频机械振动(频率为10～70kHz，振幅为1～250μm)作用于热塑性树脂及其复合材料零件，使其在压力下产生局部加热和熔化而形成焊缝的焊接方法。超声波焊接具有速度快、接头强度高、气密性好、容易实现自动化、无需特殊表面处理、适用的塑料范围广等优点，适合在工业中大规模使用。

传统上进行超声波焊接热塑性树脂及其复合材料时，需要在待焊工件表面加工具有特定形状(如三角形、矩形、半圆形)横截面的微小凸起，称为“导能筋”。这是由超声波塑料焊接的产热机理所决定的。超声波塑料焊接过程中的热量主要来自塑料分子间的摩擦产热，也称粘弹产热，可由公式(1)描述：

式中ω＝2πf为振动角频率，ε为待焊材料体系内的应变幅值，E”为材料的损失模量。由公式(1)可知，导能筋在焊接过程经历的应变幅值最大(截面最小)，故而率先发生熔化，进而“引导”焊接能量向导能筋集中，起到稳定焊接过程、提高焊接质量的作用。然而，加工导能筋往往需要在开模具时就要将导能筋位置预留出，或对已成型板材进行二次加工，这会显著增加零部件制造成本。但若不使用导能筋进行焊接，就会在待焊平面上形成随机分布的焊点，导致焊接质量不稳定。

Villegas(Composites Part A,vol.65,27-37,2015)报道了一种采用平面导能筋进行热塑性复合材料超声波焊接方法。Wang等学者(Journal of Materials ProcessingTechnology,vol.246,116-122,2017)报道了一种对热塑性复合材料表面进行预热，然后不采用导能筋的超声波焊接方法。Li等人(ASME-Journal of Manufacturing Science andEngineering,vol.140,0910011,2018)报道了一种向热塑性复合材料工件施加压边力的无导能筋超声波焊接方法。然而，上述方法仍有诸多不足：(1)平导能筋法比较适合于超声波焊头面积大于工件搭接面积的情况，若超声波焊头面积小于工件搭接面积，平导能筋的能量集中效果会有所降低；(2)局部预热增加了生产工艺环节，降低了效率；(3)施加压边力需要对现有焊机进行改造，增加了设备成本。

发明内容

本发明要解决的是传统超声波焊接热塑性材料加工导能筋所带来的加工制造成本高、生产效率低的技术问题，提出采用一种超声波热塑性材料焊接方法、导能构件及其应用，能够降低热塑性材料焊接生产成本，提高焊接效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种超声波热塑性材料焊接方法，焊接过程中在待焊工件之间设置导能构件，所述导能构件至少覆盖所述待焊工件的焊接区域；

所述导能构件为具有网孔的网状片体，所述导能构件的材料为金属、热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，所述热塑性树脂或者所述纤维增强热塑性复合材料与所述待焊工件的材料相同或相容。

进一步地，所述待焊工件的材料为热塑性树脂或者纤维增强热塑性复合材料。

进一步地，所述热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料中的热塑性树脂基体为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯醚、聚砜、橡胶中的任意一种。

进一步地，所述纤维增强热塑性复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、PBO纤维、天然纤维中的任意一种。

进一步地，所述金属为铝、镁、铜、钛、铁、镍、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铁合金、镍合金中的任意一种。

进一步地，所述导能构件的厚度为0.05～2mm。

进一步地，所述网状片体为编织结构或镂空结构。

进一步地，所述网孔的最大尺寸为1～5mm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种导能构件，所述导能构件为具有网孔的网状片体，所述导能构件的材料为金属、热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，所述热塑性树脂或者所述纤维增强热塑性复合材料与所述待焊工件的材料相同或相容。

根据本发明的另一个方面，提供了一种导能构件在超声波热塑性材料焊接中的应用，焊接过程中所述导能构件设置在待焊工件之间，并且至少覆盖所述待焊工件的焊接区域

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种超声波热塑性材料焊接方法、导能构件及其应用，设计了一种具有网孔的网状片体导能构件，将导能构件设置在待焊工件的焊接区域之间，导能构件的网孔边缘附近产生局部应力集中，位于应力集中区的材料率先熔化，并引导焊接能量向该区域集中，起到稳定焊接过程、提高焊接质量的作用；同时，导能构件在结构上独立于待焊工件，安置方便快捷，制造成本低，克服了传统在待焊工件表面加工导能筋存在的各种问题，也克服了现有文献报道中的平面导能筋和无导能筋的局限性，能够降低超声波塑料/复合材料焊接生产成本，提高焊接效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例1的导能构件的结构示意图；

图2是根据本发明实施例1的导能构件的A-A剖面图；

图3是根据本发明实施例1的超声波热塑性材料焊接方法的示意图；

图4是根据本发明实施例1的导能构件中编织结构的几种结构示例；

图5是根据本发明实施例2的导能构件的结构示意图；

图6是根据本发明实施例2的导能构件的B-B剖面图；

图7是根据本发明实施例2的超声波热塑性材料焊接方法的示意图；

图8是根据本发明实施例2的导能构件中镂空结构的几种结构示例。

上述图中：1、焊头；2、上工件；3、导能构件；4、下工件；5、砧座；6、高应变区域；7、焊头端面轮廓。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1至图3所示，根据本实施例的一个方面，提供了一种超声波热塑性材料焊接方法，焊接过程中引入导能构件3，导能构件3设置在待焊的上工件2和下工件4之间，导能构件3至少覆盖上工件2和下工件4的焊接区域，进行常规超声波塑料焊接。

上工件2和下工件4可以为热塑性树脂，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯醚、聚砜、橡胶等纯树脂，也可以为以上述热塑性树脂为基体的纤维增强热塑性复合材料，其中纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、PBO纤维、天然纤维等。上工件2和下工件4的材料通常为相同或相容。

导能构件3为网状片体，网状片体满布有网孔。导能构件3既可以选用商业丝网产品，也可以通过增材制造进行定制加工。导能构件3的厚度优选为0.05～2mm，在该厚度范围内熔融工件填充其中网孔后焊头端面轮廓7下方的工件不会出现明显塌陷。

导能构件3的材料可以为金属，例如铝、镁、铜、钛、铁、镍、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铁合金、镍合金等等；也可以为与上工件2和下工件4的材料相同或相容的热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，导能构件3的网状片体为编织结构，编织结构由相互交叉设置的丝杆搭接构成，并且形成均匀分布的网孔。相互交叉的具体形式可以是横纵交叉、斜向交叉，也可以是横和/或纵交叉与斜向交叉相结合，还可以是以其他特定的方式相互交叉；根据相互交叉的具体形式不同，所形成的网孔形状可为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或者其他特殊形状等。导能构件3的网孔最大尺寸以1～5mm范围内为佳，该尺寸过小会导致上工件2的熔化部分难以顺利流过网孔和下工件4中熔化部分混合，过大会导致焊头端面轮廓7下方的高应变区域6数量过少，影响能量的集中。

具体地，本实施例的超声波热塑性材料焊接方法可以包含如下步骤：

S1：将导能构件3置于上工件2与下工件4之间焊接区域，并位于超声波焊机的焊头1正下方，将上工件2、导能构件3和下工件4整体固定于砧座5；

S2：启动超声波焊机，设置焊头1开始振动条件(即触发条件)、焊接工艺参数和焊头1停止振动条件(停止条件)；本实施例中的超声波焊接工艺参数为：压力150～1500N，振幅20～100μm，能量200～2000J，焊头1下降位移小于3mm。超声波焊接触发条件可以通过设定焊头1压力、焊头1绝对位置或焊头1相对位移进行触发。

S3：将焊头1下降并与上工件2上表面接触，达到触发条件时焊头1开始振动；

在焊头压力作用下，上工件2下表面和下工件4上表面在导能构件3的网孔边缘附近产生局部应力集中，即形成若干高应变区域6，位于高应变区域6的材料率先熔化，并引导焊接能量向该区域集中，上工件2和下工件4熔化的材料相融合。

S4：焊头1在达到停止条件时停止振动，继续保持焊头1压力一段时间，使熔融材料冷却凝固，形成焊接接头。

若导能构件3的材料为金属，则导能构件3在焊接过程中不发生熔化，上工件2下表面与下工件4上表面熔化基材穿过导能构件3的网孔发生融合；焊接结束后，熔融基材凝固，形成热塑性材料/金属复合接头。

若导能构件3的材料为与上工件2和下工件4的材料相同或相容的热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，则导能构件3在焊接过程中发生熔化，并与熔化的上工件2和下工件4发生融合；焊接结束后，熔化材料凝固形成焊接接头。

实施例2

如图5至图7所示，根据本实施例的一个方面，提供了一种超声波热塑性材料焊接方法，与实施例1的区别仅在于导能构件3的网状片体为镂空结构。

在本实施例中，如图8所示，作为一种可选的实施方式，导能构件3的网状片体为镂空结构，镂空结构由整面片体上加工均匀分布的网孔形成，网孔形状可为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或者其他特殊形状等。

同样地，在焊头压力作用下，上工件2下表面和下工件4上表面在导能构件3的网孔边缘附近产生局部应力集中，即形成若干高应变区域6，位于高应变区域6的材料率先熔化，并引导焊接能量向该区域集中，上工件2和下工件4熔化的材料相融合。

若导能构件3的材料为金属，则导能构件3在焊接过程中不发生熔化，上工件2下表面与下工件4上表面熔化基材穿过导能构件3的网孔发生融合；焊接结束后，熔融基材凝固，形成热塑性材料/金属复合接头。

若导能构件3的材料为与上工件2和下工件4的材料相同或相容的热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，则导能构件3在焊接过程中发生熔化，并与熔化的上工件2和下工件4发生融合；焊接结束后，熔化材料凝固形成焊接接头。

实施例3

本实施例针对厚度为3mm的碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料搭接接头，采用如下焊接步骤：(1)将一材质为铝合金，具有菱形网孔形状，网孔尺寸为2mm，厚度为0.5mm的镂空结构导能构件3置于两CF/PEEK复合材料之间焊接区域，并位于超声波焊机的焊头1正下方，将两CF/PEEK复合材料和导能构件3整体固定于砧座5；(2)启动超声波焊机，超声波频率20kHZ，设置焊接压力为500N，焊接振幅30μm，焊头下降位移0.3mm；(3)当超声波焊头下降0.3mm后停止施加超声波，维持焊头压力3s。

焊接完成后，对焊接接头进行剪切拉伸测试，得到的平均失效载荷为3840N。相同焊接材料、焊接参数设定下，若采用平面型导能筋，得到接头的平均失效载荷为3200N；若采用压边力辅助方法得到的接头的平均失效载荷为3660N。可见，本发明的方法与现有方法相比具有明显优势。

实施例4

本实施例针对厚度为2mm的碳纤维增强尼龙6(CF/PA6)复合材料搭接接头，采用如下焊接步骤：(1)将一材质为尼龙6，具有矩形网孔形状，网孔尺寸为3mm，厚度为0.3mm的镂空结构导能构件3置于两CF/PA6复合材料之间焊接区域，并位于超声波焊机的焊头1正下方，将两CF/PA6复合材料和导能构件3整体固定于砧座5；(2)启动超声波焊机，超声波频率20kHZ，设置焊接压力为350N，焊接振幅30μm，焊接能量1000J；(3)当超声波焊接能量输出达到1000J后停止施加超声波，维持焊头压力3s。

焊接完成后，对焊接接头进行剪切拉伸测试，得到接头的平均失效载荷为2650N。相同焊接材料、焊接参数设定下，若采用平面型导能筋，得到接头的平均失效载荷为2330N；若采用压边力辅助方法得到的接头的平均失效载荷为2480N。可见，本发明的方法与现有方法相比具有明显优势。

实施例5

本实施例针对厚度为4mm的玻璃纤维增强尼龙66(GF/PA66)复合材料搭接接头，采用如下焊接步骤：(1)将一材质为铝，具有矩形网孔形状，网孔尺寸为2.5mm，厚度为0.6mm的编织结构导能构件3置于两GF/PA66复合材料之间焊接区域，并位于超声波焊机的焊头1正下方，将两GF/PA66复合材料和导能构件3整体固定于砧座5；(2)启动超声波焊机，超声波频率20kHZ，设置焊接压力为800N，焊接振幅35μm，焊接能量1400J；(3)当超声波焊接能量输出达到1400J后停止施加超声波，维持焊头压力3s。

焊接完成后，对焊接接头进行剪切拉伸测试，得到接头的平均失效载荷为4610N。相同焊接材料、焊接参数设定下，若采用平面型导能筋，得到接头的平均失效载荷为3870N；若采用压边力辅助方法得到的接头的平均失效载荷为4120N。可见，本发明的方法与现有方法相比具有明显优势。

从以上的描述中可以看出，本发明的上述实施例均能够实现了如下技术效果：通过上述焊接方法，导能构件3设置在上工件2和下工件4的焊接区域之间，能够起到稳定焊接过程、提高焊接质量的作用；同时，导能构件3在结构上独立于上工件2和下工件4，安置方便快捷，制造成本低，提高焊接效率。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，焊接过程中在待焊工件之间设置导能构件，所述导能构件至少覆盖所述待焊工件的焊接区域；

所述导能构件为具有网孔的网状片体，所述导能构件的材料为金属、热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，所述热塑性树脂或者所述纤维增强热塑性复合材料与所述待焊工件的材料相同或相容。

2.根据权利要求1所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述待焊工件的材料为热塑性树脂或者纤维增强热塑性复合材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料中的热塑性树脂基体为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯醚、聚砜、橡胶中的任意一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、PBO纤维、天然纤维中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述金属为铝、镁、铜、钛、铁、镍、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铁合金、镍合金中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述导能构件的厚度为0.05～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述网状片体为编织结构或镂空结构。

8.根据权利要求1所述的一种超声波热塑性材料焊接方法，其特征在于，所述网孔的最大尺寸为1～5mm。

9.一种导能构件，其特征在于，所述导能构件为具有网孔的网状片体，所述导能构件的材料为金属、热塑性树脂或纤维增强热塑性复合材料，所述热塑性树脂或者所述纤维增强热塑性复合材料与所述待焊工件的材料相同或相容。

10.一种导能构件在超声波热塑性材料焊接中的应用，焊接过程中所述导能构件设置在待焊工件之间，并且至少覆盖所述待焊工件的焊接区域。

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