一种新型超声波铆接工艺可以将塑料与不同材质的材料连接起来。它采用管状铆钉，形成形状配合的焊道。这种新工艺被称为超声波压力铆接，其特点是铆接时间短，且断裂拉伸强力高。$ e8 m, _! T% C- u' r
传统的金属应用正越来越普遍地被塑料所替代，这导致了混合材料结构（如：金属与塑料、热塑性塑料与热固性塑料或其它不相容的热塑性塑料相结合）和多组件系统使用的增加。这些应用领域对于产品的机械和光学性能的要求不断提高，因此，需要开发出新的加工策略，以实现更高的连接强度与更短的加工周期。
# u# @# }! Z8 u3 g& ? 由于热塑性塑料组件无法通过焊接方法与不同材质组件形成连接节点，已开发出铆接工艺加以应对。在铆接过程中，通过对螺柱的凸头或圆顶施加压力，使其受热、塑化并成型，从而在需连接的组件间形成形状配合的节点。在传统铆接工艺中，可能存在铆头与铆杆局部连接不足的问题。这可能会导致强度、光学和功能性方面的负面影响。而要想改善这种情况，常常又会导致连接加工时间的大幅延长。图1/ g7 j. j: [' v0 }( p( C
0 |" `, A8 N( u |6 b鉴于以上原因，德国卡尔斯巴德的Herrmann Ultraschall GmbH & Co. KG，和德国开姆尼茨工业大学的塑料研究机构合作开发出适用于塑料零部件的超声波压力铆接工艺。这一新颖的工艺改变了螺柱成形的传统过程。取而代之的是，它利用了一个带孔道的、孔径可随螺柱直径、材质和需铆接的零部件厚度而变化的半管状螺柱。8 S3 @5 O, P" n7 T, c* F
第一个处理步骤是，通过正确安装的超声波发生器焊头发出的超声波，使管状螺柱内部发生塑化，从而形成一个熔融的垫衬。在第二步中，利用超声波发生器的肩状突出部使螺柱局部受热。从而形成形状适当的高质量节点（图2）。根据所用材料的不同，施压时可选择是否应用超声波。1 l$ L/ v; N, x
* x& R b" w+ e$ I6 }& j+ |5 L
实验研究主要集中在PA66-GF30（制造商：巴斯夫公司，德国路德维希港），它是一种在大量不同应用中进行工业化应用的建筑材料。低熔体粘度和高熔融温度对铆接工艺提出了极高的要求。此外，还对ABS-PC、POM、PBT-GF30、PC-GF20和PMMA开展了积极的研究，以证实这一工艺在一系列广泛应用中的适用性。
- u9 ~3 h" Z2 N8 @
i2 t8 r }) p% d! y本实验在Herrmann Ultraschall HiQ Dialog SpeedControl 1200超声焊接机（系统频率为35kHz）上进行。该设备配备了数码超声波发生器，可进行调幅控制，而HMC液压传动概念则提供了精确的连接力控制，这样就将液压传动的优势和电力传动的力度结合了起来。因此，该设备具备可对相关工艺参数进行精确记录和评估的特点，如幅度、连接路径、连接力曲线等。
. z7 Q/ h7 Z( L. \+ G# X1 _/ W3 m" |% m
( @! [7 ?7 Z5 m. b0 R. ^9 g1 p, }铆接螺柱及超声波发生器的新几何特征
1 } D& m) G' \% i. [8 r* K
+ N) ~6 O0 V! o2 |% Q) \这项实验性探索所采用的试样，因为在模具内配备了可互换插件，所以在注塑过程中可形成不同的管状几何形状。外径为3mm不变，而内部几何形状不一的铆钉，被置于60×60×4 mm³的基体上。几何形状1是部分中空螺柱，其孔道端部正好在连接对象的上方几何形状2为向铆钉底部逐步变窄的梯级孔道。连接对象为3mm厚的U形钢材，翼缘长度为30mm。如图3所示，超声波发生器底部装有尖状物，这种设计是为了适应管状铆钉的孔道。
3 m4 t$ Z9 _: x; `# z$ [
' h- u7 H" l7 f% {0 o+ q! m3 {" R
7 p% X/ Y% [+ w0 ?- U3 H对铆接质量的光学和机械性能评估9 s5 k Z8 S8 V" x/ i& K5 c5 l
" D5 y/ A1 F: u h' F( S# t, o- H所进行的分析侧重于确定当测试速度为5mm/min时的拉伸测试中的特定断裂强力。通过肉眼和显微镜，采用显微截面来评估内外螺柱焊道的形成。+ h+ F5 e& L) R- M0 a! K: M# r' h
% D. M3 \: \( N+ F, C研究显示，连接质量与管状螺柱的设计密切相关。
- a, i8 A7 S/ q5 \/ R随着波幅和连接力上升，由于输入比能增大，形成连接所需的时间缩短。: T" S: |8 Z% V" T6 c
# d( G5 g$ P* f' @由于超声波焊头替换材料而在管状铆钉内部形成的熔融压力对材料的溢出有着关键影响，特别是采用低粘度材料如PA66时，更是如此。由于基础材料粘度高，如想重新更改形状而不发生材料溢出，只能采用小波幅及高连接力但是，由于冷整形的比例高，会导致受压焊道内产生微裂纹。另外，由于这些参数的共同影响，最终的连接时间会大幅延长。% y0 r$ z2 B# R) O( n4 Q+ C, u
# Z) b; @ Z0 Q8 H+ I, h
通过在螺柱内设计交错孔道实现了对管状螺柱的进一步优化，从而为被超声波焊头替换掉的材料创造了额外的空间，防止了焊道中材料的溢出
! n. t9 Y0 l& j5 M
/ k* C/ p5 D' U: Z! P可根据最终熔体调整体积优化的几何形状2则避免了材料溢出，从而获得理想的焊道形状。& f! R. T3 i5 U" B' D. o" e9 F
: k3 P s/ e' u4 o0 v
由于管状螺柱的承载断面并未变化，新的内部形状不会对有效断裂强度产生负面影响。新的几何形状2有利于在较宽的工艺窗口内形成光学效果比较理想的焊道形状。对于PA66-GF30而言，当波幅为20µm、连接力为 300N时最为理想，而所得到的断裂力为460N。所要求的连接时间处于十分经济的范围内，为1.5s
! m& T: `0 g- @% ^% F
, e ?3 v7 ?0 k9 j0 f. D与其它铆接工艺的比较 [4 l0 c2 f' u1 x# N! X
# n' Z6 M5 V8 D, F1 b# E0 E结果表明，超声波压力铆接方法可以满足高技术要求和经济性要求。
9 [/ y! T0 g9 r% ?, L9 U - A- k' K/ ~5 H1 Q3 ^% Z# w
与其它三种热铆接方式（热成形、热烫接、热空气铆接）及传统的超声波熔接相比，超声波压力铆接的断裂应变最大。所考察应用的是头部尺寸不同的两种DVS-标准实心螺柱几何形状，一种DVS-标准的管状螺柱几何形状，以及新近为超声波压力铆接开发的管状结构。
) U7 z- ~- ? l: o+ C
X6 x+ s0 X- t0 m' S$ B, J/ h$ }8 I
7 g) L6 M& Q0 p4 [0 J与市场上常用铆接方法相比，超声波压力铆接显示出更高的断裂强度和更短的连接时间。 S0 i5 p/ S* H: L) W; u$ |
/ u9 Q# V7 G: ]7 Y8 e评估机械性能时，对于新的超声波铆接工艺必须考虑采用管状螺柱。该工艺可达到的最大强度是87±3MPa。当然，它低于长DVS实心铆钉热成型达到的强度。但是，如果作直接比较，则明显高于DVS管状螺柱通过热烫接达到的强度，其最大值仅为63±5MPa。9 m7 z# L4 b3 o# G; z( Q: Q6 l
4 B7 h# ]8 ^) i3 y! D) y9 A优势及局限
" R2 ?1 z" x0 h" {$ P / ?5 K+ k$ C; c. e- S
与热铆接技术相比，超声波压力铆接的连接时间具有明显优势。根据手头掌握的案例，连接时间约为1.6秒，但需要考虑额外的1秒钟保持时间。热铆接方法一般需要的连接时间明显较长，为10秒~20秒，还没有考虑热烫接的热机时间和推荐的冷却时间。
! F& s& [( k1 N5 V/ n 6 C) y6 o9 B6 d- a v, B7 B2 a
当前新工艺的设计极限为螺柱最小直径3mm。管状螺柱中心的塑化需要足够的材料体积，及（或）适当的直径。减少铆钉焊道上方残留的浮层是本次研究的目标。但就目前来说，与断裂强度较低而所需空间也较小的传统DVS铆钉相比，这仍然是一个劣势。( H8 b; C+ _. F2 i4 ?
% t3 G4 a9 v( T0 o% ]
结论
9 G) ?- e: K& \! u 9 q! a* _% K4 [' M3 W# R, Y
超声波压力铆接涉及到一系列广泛的材料，可用于新型精细材料的连接。其技术秘诀在于铆钉和超声波焊头的设计，螺柱为管状，而孔道深度可根据用途不同调节则是其一大特点。通过孔道深度也可以消除材料的溢出。超声工艺本身可以进行参数微调，从而实现有针对性的能量输入，并与采用多个螺柱时可能出现的部件间隙相适应。通过工件和工具的形状创新，超声波输入几乎完全不耦合，从而保护了敏感部件。除了高强度之外，铆接工艺连接时间最长不超过3秒（含保持时间），显著低于其它热铆接方式所需要的几十秒。新方法的实际应用包括PCB、板、磁性材料、板材等的铆接。
" ] H) K1 N& O8 W
+ O2 a$ l( S% Z( l& O7 t6 a; j0 V, |& X! k7 h5 I1 U$ L4 J
+ g. C! E% c- M* g
4 C& E c& h' \
0 o5 {5 Q& s* v# [/ A0 {, M |
发表于 2015-11-29 19:00:32
