塑料焊接工艺与设备

追踪业界动态，定题科技调研

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本期主题： 车用塑料焊接工艺与设备

（塑料焊接技术在汽车上应用主要部件图示）

? 五种主要的车用塑料焊接工艺概述 ? 五种焊接工艺的主要特点与条件 ? 几种先进的车用塑料焊接设备介绍

? 五种主要的车用塑料焊接工艺概述

焊接可追朔至早期的金属加工年代，而且由于性能、成本、可靠性和安全方面的原因至今广为应用。与其他连接方法（如：铆接和螺栓连接）相比，焊接结构具有强度高、重量轻、成本低廉的优势。连接金属、聚合材料、陶瓷、复合材料和工程材料的焊接方法已经多达100多种。

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作为现代机械制造业中一种必要的工艺方法，焊接在汽车制造中得到广泛的应用。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不开焊接技术的应用。在汽车零部件的制造中，点焊、凸焊、缝焊、滚凸焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等各种焊接方法中，由于点焊、气体保护焊、钎焊具有生产量大，自动化程度高，高速、低耗、焊接变形小、易操作的特点，所以对汽车车身薄板覆盖零部件特别适合，因此，在汽车生产中应用最多。

对于汽车内外饰件制造企业而言，焊接的主要对象是工程塑料制品。

借助热能或振动能源，使材料表面软化而结合。尽管不使用粘合剂，但却可得到比较好的焊接强度。焊接工艺可按所采用的软化方式分为以下几种：

热板焊接 （hot plate welding） 由热板产生的热量软化接合表面的加压焊接方法。

振动焊接 (vibration welding)由摩擦产生的热量软化接合表面的加压焊接方法。

超声波焊接 (ultrasonic welding )在超声频率下由分子间机械振动动能产生的热软化接合表面的加压焊接方法。

高频焊接 (HF welding)由高频电场产生的热量软化接合表面的加压焊接方法。

激光焊接 (laser welding)利用激光能量来焊接两个成型品的一种技术。

五种焊接方法的优缺点比较 优点 缺点 *应用范围广 *由热板产生的热量使制品软* 焊接强度、效率高(在各焊接化，周期较长。 法中最佳) *粘贴在热板上的树脂会出现* 可进行气密接合，可靠性好 拉丝现象 (必须有相应的塑料热板焊接 * 制品、焊接部的形状设计相对粘贴对策) 来说比较容易 *不同种类的树脂或金属与树脂相接合，会出现强度不足。 *对易分解塑料要用惰性气体 连接平面不超过两个、不适用材料选择广泛、复杂形状、大尺于薄长的固定件，被焊接件必振动焊接 寸 须能够活动 超声波焊接 速度快、可自动化 受尺寸、形状和材料限制 高频焊接 适用于等厚的薄板 不适用于非极性分子 *由于没有振动或超声波等物理*由于必须在激光透射性树脂的影响，因此可应用于精密部件 与激光吸收性树脂的组合中才*由于是非接触焊接，因此不会能使用，因此受限于树脂的种激光焊接 使表面产生热影响、伤痕或变类。 形，且不会产生残渣 *当两种材料都填充炭黑时，*是不会产生粉尘或飞边等不良不适于激光焊 现象的一种洁净工作法 *由于许多矿物填充的化合物

追踪业界动态，定题科技调研 *可利用最佳加工条件来获得很高的接合强度和密闭性 *通过缩小激光束可最大限度地减少因热而引起的影响 3

能够吸收近红外线激光，所以通常不适用于激光焊接 ? 五种焊接工艺的主要特点与条件

? 热板焊接

1.定义

由热板产生的热量软化接合表面的加压焊接方法。因装置简便、焊接强度高，自古以来就被用于大型产品的焊接。

2.焊接工艺

a）让制品接触热板，以融化黏接部;b）保持融化面的接触，以冷却凝固。

3.黏接部分的接合形状例

焊接部为平坦状

飞边露出深度形状

隐藏飞边形状

4.焊接条件

温度设定：基本上大于树脂熔点

? 低温时- 焊接周期长 焊接强度低 ? 高温时- 注意材料老化

软化时间：可充分使接合面软化的时间参考高1mm左右的软化时间

追踪业界动态，定题科技调研 机械驱动速度：尽可能越快越好

热烫压力：设定所需的最低压力、焊接深度。压力过大时，会造成熔融树脂被挤出，成为强度低的原因。

其它影响热板焊接的主要因素：冷却压力、冷却时间、热烫模板复位时间、冷压模板运行时间、工作台复位时间。

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5.延锋公司热板焊接举例：

焊接Audi A4遮阳板地图袋。

地图袋由三层材料组成，上下两层为PVC表皮，中间层为聚酯热熔膜，它是通过热板压在上表皮上，使中间聚酯热熔膜快速熔化，再通过冷压模板压在上表皮上，使聚酯热熔膜冷却使上下两层PVC表皮焊接在一起。

焊接专机主要组成部分：底模、加紧机构、加热板、热烫模板、热板运动机构、冷压模板、压板运动机构、工作台横移机构。

设备主要技术参数：加热功率、加热温度、热板行程、冷压板行程、机器总重、安全保护。

? 振动焊接

1.定义

振动焊接是属于摩擦焊接的一种。首先将一方的制品固定后，另一方在加压的同时使其在水平方向发生振动，然后使接合面软化, 焊接。振动方式可分为线形与轨道型二种。线型是左右方向振动，轨道型则是小圆形的振动。因焊接面相对时间轴的速度是一定的，故轨道型振动可得到均一的焊接面。最大振幅：线型为1.8mm，轨道型为1.5mm。

2.接合部的接合形状

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下图为最具代表性的接合形状例。一般来说，只要在接合面之间有可供发生摩擦的接触面即可。但当制品厚度较薄或者是过于细长时，为了防止偏移、污点而设置钩型的凸缘(b)，当焊接时出现飞边等外观问题时，则设置飞边滞留(c～e)。

3.焊接条件

焊接条件取决于加压、振幅、焊接量:

a、加压：采用低压，则可以得到较高的焊接强度。 b、振幅：几乎不受振幅的影响。 c、焊接量：因材料而异

4.延锋公司振动焊接举例

在仪表板生产区域用到振动焊接，设备供应商为德国的Branson, 德国的Bielomatik。

以Bielomatik公司设备为例，其主要工作方式：焊接件置于下夹具中－关闭操作侧的安全门－举升装置移动至工位，并将工件的上体置入上夹具－振动单元线性振动，举升单元施加必要的焊接压力－摩擦振动使焊接区塑化－达到振动时间，或达到预定焊接位置时，振动停止－冷却－举升台协同工件退回起始为好子－松开下夹具－安全门自动打开－取出焊接好的工件。

设备的主要部件有：气动安全门、控制箱、主控面板、举升装置、上、下方夹具、安全防噪室等。

设备参数：操作电压、频率、电流型式、满载电流、输入压力、工作频率、最大焊接压力、举升垂直行程、温度等

? 超声波焊接

1.定义

超声波焊接是熔接熟塑性塑料制品的高科技技术。由于应用此技术可取代过去生产上需要的熔剂、粘合剂、扣钉或其它机械固定法，从而提高了生产效率、降低了成本。超声波焊接原理是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40千赫兹电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到焊头。

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焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。

2.超声波熔接的接面设计

a斜面接合

该接合是利用斜面以达到完全的面接合。由于可获得均一的热能及较大的焊接面积，故焊接强度高，气密性好。

b逐次接合

属于剪切焊接，由振动方向的面接触结合部获得均一的热量，其气密性、焊接强度都十分良好。但是，焊接后所产生的飞边会滞留在表面，特别是不允许有飞边产生时，一定要注意。

c剪切接合

介于前面所说的斜面接合与逐次接合之间，由于气密性好，能有效地焊接圆形以外的形状，因而经常被使用。

d能源定向接合

这种方式是将能源集中在被称为定向的三角形的凸起部分，由反复冲击产生的热量的接合设计方式。其优点是，形状简单，接合部分的限制较小。但对于结晶性塑料，过分的局部发热引起软化, 熔融，从而引发出压焊应力损失，气密不良等问题，必须引起注意。

3.焊接条件

作为超声波焊接的条件，最重要的是施加焊接能源的时间（振动、焊接时间）长短和压力， 当然，其他条件也是很重要的。

焊接温度

超过被焊接材料的粘流温度。否则材料不会熔化。与振幅有关，振幅越高，温度上升越高。

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加压力

使用圆柱形的工具对成型品进行加压。 一般压缩空气压力为0.10.3MPa（压力表），有时会更高一些。 但是，如果采用高压的话，则会阻碍圆柱形的振动。 若对玻璃纤维增强材料进行焊接时，则可适当提高压力以得到良好的焊接制品。

焊接时间

因材料的种类与制品的形状而异，有些成型品的焊接时间只需要0.2秒就已足够了。 时间过长会造成过度焊接而产生大量的飞边与气泡，从而导致气密不良，必须注意。

冷却（保持）时间

对于结晶性塑料，若温度在融点以下，连接部分就会被凝固，通常加压时间保持在0.1～0.2秒之间。

発振开始时期

以圆柱形工具与成型品相接触之前或同时发生振动为佳。若在加压状态后才发生振动，则会导致振幅损失。

对被焊接材料的要求

均质，严格控制金属或者应物，否则损坏焊头。

4.焊机要求

焊接机的焊头由下到上分为三部分：焊头、放大器和换能器。三者按照一定的比例进行放大。如换能器的振幅为6mm，则放大器可以放大三倍至18mm，到焊头的振幅可增加到36mm。当然，振幅增加，焊头的寿命会降低。被焊接的材料不同，所需要的振幅也不相同。如PE,PP,ABS的振幅为18-20mm，PC的振幅为25mm。

焊头材料一般有三种：

钛：昂贵，性能最好，韧性好，加工困难。摩擦损耗小，振幅大可以达到60mm；

铝合金：便宜，磨损快，振幅不能超过30mm，容易加工；

钢：很硬，最不适合作焊头，振幅不能超过25mm，适于切割，需要增加吹风管，便于冷却。

5.延锋公司超声波焊接举例

在GPIV仪表台中使用了Branson超声波焊接设备。设备采用驱动形式，焊接时工件放入为工件特制的底模中，底模安装在机器平台上，在双滑动台驱动下可以作X-Y方向上移动，配以上下移动的焊接单元，保证工具每一点焊点的要求。

系统的工作方式：手动将仪表台各焊接件放置在底模上，并正确定位工件－按下启动按钮、自动加紧工件、安全门自动关闭，系统开始自动工作－工件探测－前后平台移动到焊接工位－焊接单元下，完成第一组焊接－焊接单元退回－前后平台退回－左右平台移动到焊接工位－焊接单元下，完成第二组焊接－焊接单元退回－左右平台退回并放松加紧机构－安全门自动打开－手工取出焊好的工件

设备的主要组成部分：机器、底模、超声波部分、焊接单元部分、电气控制部分。

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在前后门槛、前后保险杠、C、D柱、PASSAT门板、POLO 241上装饰板等产品中广泛采用了超声波焊接工艺。除上述Branson 公司外，焊机设备供应商还有RINCO超声波公司，LUHR公司等。

? 高频焊接

对磁性体或导电体施加高频率磁场，利用过电流损失所引起的热能使制品软化， 以达到二种制品焊接在一起的方法即高频焊接法。

产生高频磁场的最为常用的方法是，利用高频电流通过线圈， 从而得到一个强大的高频磁场。 一般而言，发热体为铁、铝、不锈钢等金属丝或金属片， 但也使用添加一些磁性体的塑料、塑料薄膜。 也有利用高频率感应加热，用于金属部件的嵌入等。

延锋公司采用KIFEEL公司的高频焊接机焊接门内板。

? 激光焊接

利用激光能量来焊接两个成型品的一种技术。其要点在于“透射激光的材料”与“吸收激光的材料”两者的组合。俯射的激光径直穿过上侧的“透射激光的材料”，然后被下侧的“吸收激光的材料”吸收。这样一来，成型品之间产生的热量使树脂熔化，从而把两个成型品焊接在一起。

这种焊接方法适用于超声波焊接、振动焊接、热板焊接等都不适用的场合、薄壁制品以及超精密部件。

激光焊接还可大致分为3种,可根据用户需要来选用。

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最近TWI(英国焊接协会)通报了 一种聚乙烯膜的高速激光焊接方法，应用CO2和Nd－YAG激光，焊速达500m/min，焊接强度接近原料母体原料。

TWI还获得Clear WeldTM 透射焊接（transmission welding ）的专利，这种技术是在两个可透射的塑料连接表面使用一种无色的红外线吸收介质，从而这两块光学透明的塑料在进行激光焊接后几乎看不见接缝的存在。

Branson 公司也推出了新的激光IRAM焊接技术，详见后文有关设备的介绍。

? 几种先进的车用塑料焊接设备介绍

Branson（必能信）超声波公司是一家全球领先的塑料焊接设备和精密清洗设备公司，致力于设备的设计、开发、制造和销售，在全球拥有超过20000名员工，70个销售网点。制造基地遍及美国、墨西哥、加拿大、德国、斯洛伐克、中国、香港和日本。

今天在纽约的Rochester，他们开发和制造的产品除超声波焊接机外，还包含：线性振动摩擦焊机，轨道振动焊机，激光IRAM焊机，热板焊机、旋转焊机等。

下文将重点介绍Branson公司的最新设备，借此可对全球塑料焊机情况有所了解。

? Branson的超声波焊机

有手动型单个工作站，也有全自动型。它的2000系列超声波系统可提供20，30，40KHz频率。

Branson's 2000f/aef 超声2000d/aed 超声波焊接2000ea/ae 超声波焊接波焊接系统- 借助于压力 系统- 借助于距离 系统 – 能量模式焊接

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2000f/aef是Branson2000超声焊系列最新产品，为想借助于压力和/或振幅分级进行优化焊接的用户建立了新标，使用户能够对实际焊机压力和焊接速度进行编程，有可供实现高水平过程控制和焊接质量的多种模式。此外该系统的电源技术含有闭环回路专利技术，在性能、连贯性和可靠性方面都有所提升。2000f可进行外形和信息的数字化管理。

Branson's 2000d/aed 具有多功能性、超级性能、轻便使用、数字化管理，有5个操作模式：时间、能力、峰值电源、崩溃、绝对距离，拥有闭环超声波电源，一高性能换能器用于快速焊接。

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Branson's 2000ea/ae 拥有时间、能量补偿或峰值电源焊接模式，可进行高水平的过程控制和焊接质量。此外该系统的电源技术含有闭环回路专利技术，提供更好的性能、连贯性和可靠性。

? M系列振动焊机

新型M系列振动焊机M624H 此焊机为中型线性振动焊机，采用了公司最新的两阶段数字驱动模式，为焊接件提供高频率、高能量

DVW2-O轨道焊机

用于焊接大型或不规则形状的热塑性塑料件，设备可在低振幅下操作（某些情况振幅可少于0.030\），降低零件间隙的要求，可用于焊接非支撑性的竖直壁板。

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? 新型HV-15S热板焊机－使用伺服系统，便于更大控制

Branson HV-15S热板焊机为塑料焊接系统，应用竖直加热压盘、压盘与伺服驱动的夹具耦接，与传统的机械停止相比，可使用户对焊接结果获得更大控制。该设备是焊接两种以上热塑性塑料件、且要求高强度和/或密封性（300 mm X 375 mm）的理想选择。焊接部位清洁、美观、性价比高，不需要胶水、胶带或其它易耗

品。

? Branson的最新技术：激光IRAM焊接系统

最新推出的两款焊机

200型

300型

该种技术的原理是将激光辐射穿过一个塑料件，而由第二个零件吸收激光，此种吸收导致了界面的加热和熔化，借助夹具的力量将两部件融合。相对于单点加热、移动IR点通过焊接区而言，IRAM技术的主要突破在于能够同时加热整个焊接表面。由于没有了零部件件的相对用动，没有了匹临件间的振动，只有焊接面被加热和融合，使得通过这种技术焊接的零件具有非常好的美感。由于可以通过调整IR能量，焊接过程可以轻易控制，焊接结果无飞边，无颗粒。另外的一个优势在于能够焊接不同材料，包括焊接不同的材料组合，通常其它焊接方法是难以实现的。已验证可以成功焊接的材料有PC、丙烯酸树脂、PS、ABS和弹性体。IRAM的速度和灵活性也可圈可点，典型的焊接周期在3-5秒之间，而热板焊接需要20-40秒。

IRAM也是一种“预组装方法”，即零件置于焊机的位置与最终装配位置一致。在某些应用中，让某些子零件在焊接过程中置于装配位置是至关重要的。在汽车工业中IRAM最先考虑应用在仪表盘的组合仪表、示廓灯上。

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? Branson为中国汽车企业“量身定制”的塑料焊接系统

超声波保险杠焊接系统 系统特点：全自动操作系统，焊接参数稳定，焊接一致性高，有效取代传统焊接工艺。

汽车衣帽架振动摩擦焊接系统

系统特点：生产效率高，三秒钟即可完成一次焊接；系统性能稳定，通用性强；操作方便，运营成本低。

超声波汽车行李箱侧围焊接系统

系统特点：有效取代同类进口设备，降低生产成本，焊接效率高。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u1qr.html