聚醚醚酮超聲熱-形變規(guī)律及焊接工藝研究.pdf

1、聚醚醚酮(PEEK)具有高強(qiáng)度、高模量、耐沖擊、耐高溫、耐輻射以及尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在宇航、電子、信息、能源等高技術(shù)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。聚醚醚酮作為熱塑性材料還具有可焊接的特點(diǎn)，因此可以不采用機(jī)械連接和粘接等連接工藝，從而避免因應(yīng)力集中、密封性降低、耐腐蝕性下降導(dǎo)致的接頭使用性能變差的問(wèn)題。目前，在各種塑料焊接方法中，超聲波焊接方法具有成本低、自動(dòng)化程度高、效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此其能否成功的應(yīng)用于PEEK，對(duì)PE

2、EK構(gòu)件制造水平的提高具有非常重要的意義。超聲波焊接PEEK存在的主要問(wèn)題是接頭強(qiáng)度偏低，這是由PEEK的高熔融溫度和高結(jié)晶度導(dǎo)致的。因此，本文針對(duì)PEEK的這兩個(gè)特性，圍繞超聲波焊接界面的產(chǎn)熱-形變過(guò)程和焊接界面的成型過(guò)程展開(kāi)研究。
　　根據(jù)聚合物材料在循環(huán)振動(dòng)載荷下的生熱理論，建立了熱力耦合的超聲波焊接過(guò)程有限元模型。采用此模型對(duì)焊接振幅、焊接壓力、導(dǎo)能筋的形狀和尺寸等因素對(duì)超聲波焊接過(guò)程的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，焊接界面上

3、的溫度在焊接初期會(huì)以非?？斓乃俣壬叩揭欢ㄖ担蟊銜?huì)保持在此定值附近。其內(nèi)在原因是由于導(dǎo)能筋的變形，使焊接界面上的產(chǎn)熱功率不斷降低以及導(dǎo)熱面積不斷增加。焊接界面能夠達(dá)到溫度隨著焊接振幅的增加而提高。因此在焊接PEEK時(shí)，只有焊接振幅超過(guò)一定值時(shí)，才能順利完成焊接過(guò)程。焊接壓力、導(dǎo)能筋的形狀、導(dǎo)能筋的尺寸是通過(guò)影響導(dǎo)能筋的變形來(lái)影響導(dǎo)能筋焊接界面上的溫度和溫度分布的。焊接壓力具有促進(jìn)導(dǎo)能筋變形的作用，因此增大焊接壓力會(huì)導(dǎo)致焊接界面溫度的

4、降低，以及下焊件表面溫度的降低。矩形導(dǎo)能筋由于發(fā)生墩粗狀的變形，使得導(dǎo)能筋同上下焊件接觸面的邊緣同時(shí)成為焊接界面上的最高溫度區(qū)。半圓形導(dǎo)能筋由于產(chǎn)生滾動(dòng)式變形，因此在焊接界面沒(méi)有達(dá)到較高溫度的條件下，導(dǎo)能筋同下焊件之間的接觸面積也會(huì)有較大的增加，使得下焊件表面的溫度始終處于非常低的狀態(tài)。采用三角導(dǎo)能筋，在合適的工藝參數(shù)下，最高溫度區(qū)同時(shí)分布在導(dǎo)能筋的尖端和下焊件表面，有利于有序熔化鋪展過(guò)程的進(jìn)行。對(duì)于三角形導(dǎo)能筋，頂角角度對(duì)焊接界面所能

5、達(dá)到的溫度未見(jiàn)顯著影響。但是，30°頂角角度的導(dǎo)能筋由于剛度較小，僅在焊接壓力的作用下導(dǎo)能筋就會(huì)發(fā)生較大的尖端膨脹變形，使得最高溫度區(qū)遠(yuǎn)離焊接界面，而且容易發(fā)生尖端斷裂現(xiàn)象。60°和90°頂角導(dǎo)能筋最高溫度區(qū)同時(shí)包括焊接界面上導(dǎo)能筋尖端和下焊件表面，有利于熔融連接。120°頂角導(dǎo)能筋焊接時(shí)，導(dǎo)能筋的變形最小，但是與其接觸的下焊件表面的高溫區(qū)面積較小。
　　通過(guò)控制導(dǎo)能筋下塌量，獲得一系列導(dǎo)能筋鋪展過(guò)程的中間結(jié)果方法，對(duì)導(dǎo)能筋的熔化

6、鋪展過(guò)程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PEEK的焊接界面上產(chǎn)生的大量密集孔洞缺陷是其超聲波焊接接頭性能下降的主要原因。焊接界面上的孔洞缺陷的尺寸和數(shù)量同焊接振幅成正比，同焊接壓力成反比。增大導(dǎo)能筋的尺寸，導(dǎo)能筋向下板插入的深度增加，一定程度上減輕了熔融樹(shù)脂從焊接界面上的飛濺，但是由于形成大尺寸孔洞缺陷，接頭強(qiáng)度下降。增大三角形導(dǎo)能筋的頂角角度，也有利于減輕焊接界面上熔融樹(shù)脂的損失，但是由于形成了連接面積小，接頭強(qiáng)度降低。
　　提出了采用預(yù)