[发明专利]超声波热塑性材料焊接方法、导能构件及其应用

说明书

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。

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。