超聲波鉚接：短時(shí)間內(nèi)形成堅(jiān)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(lái)。它采用管狀鉚釘，形成形狀配合的焊道。這種新工藝被稱(chēng)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(lái)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(kāi)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(wú)法通過(guò)焊接方法與不同材質(zhì)組件形成連接節(jié)點(diǎn)，已開(kāi)發(fā)出鉚接工藝加以應(yīng)對(duì)。在鉚接過(guò)程中，通過(guò)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(wèn)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

2 q5 Z8 T; n+ M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(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)的塑料研究機(jī)構(gòu)合作開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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。
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+ d& F/ i8 n8 Z5 F5 W4 m8 k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(lái)。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(xiàn)等。

鉚接螺柱及超聲波發(fā)生器的新幾何特征

3 `! {9 w. N3 `. R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(guò)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�的梯�?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">" p/ Z' {5 d7 @; `  I

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% c/ t' o/ t0 K' ?/ y; ^/ s對(duì)鉚接質(zhì)量的光學(xué)和機(jī)械性能評(píng)估
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: c% b; F; I- D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(guò)肉眼和顯微鏡，采用顯微截面來(lái)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)。
1 a) x- t6 S0 G- Q- }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。
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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)。
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6 O2 S9 R, N6 [8 N通過(guò)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
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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

% W' I0 i+ H! l+ N2 Y" V! U結(jié)果表明，超聲波壓力鉚接方法可以滿(mǎn)足高技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性要求。

6 o- Q( g# j/ g' c5 V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(kāi)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。
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# s- n8 O& A( m$ l3 P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(guò)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(méi)有考慮熱燙接的熱機(jī)時(shí)間和推薦的冷卻時(shí)間。
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0 l* U4 r# {+ ~: E, p$ q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�。減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(lái)說(shuō)，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)。
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結(jié)論
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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(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(guò)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(guò)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(guò)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。

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不錯(cuò)。。學(xué)到了知識(shí)

laodongbeiren

頻率為35kHz-----------這個(gè)人耳朵聽(tīng)不到了吧？