张毕生
【摘 要】PBT材料(聚对苯二甲酸丁二醇酯,英文名Polybutylene)是五大泛用工程塑料之一.改性PBT材料被广泛应用于各领域.通过研究超生波焊接改性PBT材料,分析不同玻璃纤维比例的改性PBT材料焊接特性,来制定最佳的焊接工艺参数,并总结出不同玻纤配比的PBT材料焊接参数变化规律.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2012(000)011
【总页数】6页(P53-58)
卷积编码
【关键词】PBT;工程塑料;玻璃纤维;超声波焊接;焊接工艺参数
【作 者】张毕生
【作者单位】博世汽车部件长沙有限公司,湖南长沙 410100
【正文语种】中 文
【中图分类】TG456.9水塔
0 前言
随着热塑性塑料及复合材料的广泛应用，超声波焊接作为一种有效的连接手段日益受到人们重视。Bennatar等人[l]认为超声波焊接是塑料加热连接方法中最有效的焊接方法。但超声波焊接热塑性塑料的产品强度一般都比较低，难以满足产品强度要求。PBT作为一种热塑性塑料，具有高耐热性、韧性、耐疲劳性和优良的绝缘性能等。由于PBT成型收缩率大，在1.7%～2.3%，所以在实际PBT材料应用中，为改善其成型工艺，通常添加玻璃纤维添加剂来对其改性。改性后的PBT材料拉伸强度，弯曲强度，热变性温度大幅提高，焊接性能也会随之改变。 热塑性材料在实际的应用中，通常是改性后的复合性材料，焊接质量会受到各种填料的影响。对改性复合材料的研究是超声波焊接材料研究的重要方向，比如Sancaktar等[2]对改性后的聚丙烯进行了超声波焊接试验，发现填料对焊接强度的影响各不相同。焊接强度随着每种填料含量的增加而下降。
目前，国外塑料焊接设备性能优越，但价格昂贵，是国内焊接设备5～10倍。国内塑料焊接设备价格低廉，但控制精度和稳定性差，主要应用于低端产品市场。
本文通过对该改性PBT产品超声波焊接工艺的研究，来开发高性价比的国产化超声波焊接设备，并发现波纤比例与PBT材料焊接强度和焊接参数之间的变化规律，制定最佳的焊接工艺参数，提高产品焊接工艺质量。
1 试验方案
某系列焊接产品材料为改性PBT，玻纤比例分为两种，20%和30%。焊线直径为ϕ70mm。
焊后产品质量要求熔深控制在0.70～0.85mm，焊接强度≥1000N。
格宾笼挡墙由于产品结构，材料特性以及产品焊接质量要求，使得焊接时对焊接设备和工艺参数的要求非常高。设备选型时频率需20kHz，功率需达到2500W，焊接振幅要求控制在60～125μm，并具备熔深控制功能和焊接气压分段控制功能。根据生产现状，选用两组玻纤含量不同的PBT焊接零件：两组焊件形状结构尺寸一致，焊线设计为尖角环形结构焊线直径ϕ70mm，A组样品：玻纤含量20%；B组样品：玻纤含量30%。 超声波焊接设备选型：20kHz，3000W。
表1 A组样品拉拔力数据表（低压焊接压力F=500N）A组样品焊接强度测试数据（焊接压力F=500N）No.Full Force/N Min./N Max./N Aver-F/N 12345678943643659651258559658047944143648156910488
图2 高压焊接压力F=1500N曲线图
表2 A组样品拉拔力数据表（高压焊接压力F=1500N）A组样品焊接强度测试数据（焊接压力F=1500N）No.Full Force/N Min./N Max./N Aver-F/N 12345678947938463451163451038540960558256441110531
焊接模式选用熔深模式。
PBT焊接振幅通常在60～125μm，焊头设计的最大振幅为88μm。
故验证时使用的振幅范围在70%～100%。
1.1 验证分析焊接压力对焊接强度的影响
实际焊接过程中发现，焊接压力在低于400N时，焊接时间过长，焊接强度低，焊接压力在大于1500N时，焊接时间过短，产生虚焊导致焊接强度低，故在本文中的验证压力范围在400～1500N。
焊接参数设计如下。
（1）选用A组样品焊接过程中压力不变。
焊接参数设定：选用低压焊接和高压焊接。
①低压焊接压力F=500N
低压焊接压力曲线图如图1所示。
振幅A=88×85%=75μm；
焊接熔深D=0.65mm；
保持时间HT=0.5s。
测试样品实际熔深范围0.73～0.78mm。
测试样品拉拔力数据如表1。
led像素灯②高压焊接压力F=1500N
焊接压力曲线图如图2所示。
振幅A=88×85%=75μm；
熔深D=0.65mm；
保持时间HT=0.5s。
测试样品实际熔深范围0.72～0.78mm.
测试样品拉拔力数据如表2。
在较高的焊接压力下，焊接线受挤压压重而下陷，失去了焊接效果，形成塑料零件面与面的强迫焊接，而非三角形点的导引焊接，所以产生焊接假象，实际拉拔力较小。
（2）A组样品焊接过程中改变压力。
F1=500N，F2=1500N。
焊接压力曲线如图3所示。
母线框
振幅A=88×85%=75μm；
熔深D=0.65mm；
保持时间HT=0.5s。
测试样品实际熔深范围0.74～0.79mm.
测试样品拉拔力数据如表3。
图3 A组样品焊接压力变化曲线图
表3 A组样品拉拔力数据表（焊接压力F：500N-＞1500N）
图4 焊接高低压变化曲线图
表4 A组焊接低压样品拉拔力测试数据（A=75 μm）
根据拉拔力的测试数据发现，焊接过程改变气压，对焊接强度有明显的提高，拉拔力均值提高了一倍。
这说明焊接过程中压力对焊接强度的影响非常明显，随焊接深度的不断增加，焊线渐渐趋于扁平，熔接需要更大的能量来使焊料熔化，压力随焊接深度的加深而不断地增加，会有效改善熔化膜形态变化过程[3]，提高焊接强度。
1.2 验证分析玻纤比例对改性PBT焊接工艺的影响
迎宾机器人（1）玻纤比例对焊接压力的影响。
选用两组典型的焊接压力参数，分为焊接低压参数和焊接高压参数，对A，B两组样品进行焊接试验。
焊接压力曲线图如图4所示。
振幅A=88×85%=75μm；
熔深D=0.65mm；
保持时间HT=0.5s。
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