專利名稱：鍍有金屬的塑料的超聲波焊接的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地說涉及一種連接兩零件的方法，更具體地說，涉及塑料件的超聲波焊接。
超聲波焊接允許準確而精密地利用能量，有選擇地熔接或焊接塑料組件的指定部位。超聲波裝置適用于大多數熱塑性塑料，并廣泛用汽車，包裝，電子和消費工業(yè)中的熱塑性塑料件焊接。在實踐中，借助超聲波焊機將高頻(超聲波)機械振動傳給配合的塑料零件。在兩零件的接合部或接合面處施加的力和表面和/或分子間的摩擦的復合作用使溫度升高，直至達到熱塑性塑料的熔點為止，然后卸去超聲波能量，兩塑料零件間便產生分子連接或焊接。
超聲波焊接系統(tǒng)典型地含有一高頻能源(通常為20-40KHZ)。高頻能量傳入一觸頭，該觸頭是一個棒或一個金屬塊，典型地是由鈦，鋁或硬化鋼制成，尺寸定為可使其駐留于施加的頻率。觸頭與工件接觸，將機械振動傳給工件。一夾具或槽形件支撐兩個需要焊接的零件，并使該兩個零件對正。該夾具通常用鋁或鋼制成，并且有時還襯以澆鑄的氨基甲酸乙酯或其它彈性材料。
適當的連接結構對獲得理想焊接效果是必需的。諸如材料類型，零件幾何形狀和焊接接合部的要求等因素都是決定結構時需要加以考慮的。接合部應具有小而均勻的初始接觸面積和某些對正的結構要素，以集中超聲波能量，迅速局部擴散能量。一種最普遍采用的能量導向結構是由待焊接的零件表面的小三角形焊珠構成的。在一種類型的焊接中，采用了一種尖銳的或抵觸的接合部，以獲得高強度氣密封接。焊接過程中，接合部被熔化并嵌在一起，產生一種揉合式焊接。
多種熱塑性聚合物都可焊接。非結晶樹脂例如聚苯乙烯，丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)，聚碳酸酯等具有非常好的能量效果，一般都可用于超聲波焊接。它們的特征是具有無規(guī)則的分子排列和寬的軟化溫度范圍。這使材料易于流動，而不致過早固化。具有較高結晶性等級的樹脂，由于它們的高有序分子結構，要求較高的超聲波能量等級。某些不同的樹脂，如果它們的玻璃轉變溫度相同(典型地在約40F內)，也可焊接。并且這些樹脂還有某種相近的分子結構。其典型例子是ABS與聚丙烯樹脂，聚碳酸酯與聚丙烯樹脂，以及聚苯乙烯與聚苯撐氧。
許多其它因素，例如濕度，填充物和脫模劑等也對超聲波焊接熱塑性塑料的能力產生影響。理想的焊接特別要求焊前對塑料零件進行干燥。并已知道，填充物的填充量超過30-35%時，會阻礙超聲波焊接。高于這些量，由于接合區(qū)所含可熔性材料不足，不能保證高強度焊接。此外，填充物，例如玻璃和礦物質，還可成為磨料，引起觸頭以高于35%的等級過量磨損。脫模劑減小了材料的摩擦系數，但也會對焊接帶來不利影響。因此焊接表面應于焊接前用適當的清潔物進行清潔，去除任何表面污物。
超聲波焊接技術的普通知識經常提示，需焊接的接合部應徹底經過清潔，而沒有上述物質。因此，焊接帶金屬鍍層塑料件既困難又費錢。焊接接合部的金屬鍍層必須去除以保證正確焊接。這就要求那些例如用作屏蔽型射頻(RF)罩殼的帶鍍層的塑料件在鍍金屬時須有選擇地作遮蓋處理，或在焊接前去除鍍層。顯然，能對整件帶鍍層的塑料件進行焊接，將是對該技術領域作出的有益改進。
概括地說，本發(fā)明提供了一種超聲波焊接兩個塑料零件的方法，一個塑料零件的焊接接合部覆蓋有金屬層，另一個塑料零件具有互補的焊接接合部，通過將上述兩個焊接接合部用超聲波彼此焊接，將兩個零件連為一體。
在本發(fā)明的一種實施例中，在連接步驟之前，在第一和第二塑料零件上施加了一個力，該力顯著大于使兩個焊接接合件相互接觸所需的力。
在本發(fā)明的另一個實施例中，一種用超聲波焊接的鍍金屬的塑料組件包括兩個塑料零件，每一零件具有一焊接接合部，至少一個焊接接合部焊前覆蓋有一金屬層，兩焊接接合部的每一部分都發(fā)生變形，以在兩個焊接接合部間形成焊接連接。


圖1是本發(fā)明的超聲波焊接示意圖2是按照本發(fā)明的方法焊接后的兩個金屬化塑料零件的剖視圖；圖3說明用來確定焊接效果的試驗方法。
盡管各權利要求限定了體現(xiàn)本發(fā)明新穎性的特征，但通過以下結合附圖的詳細說明，相信可以對本發(fā)明更清楚地理解，圖中各序號見下面的說明。
參見圖1，超聲波焊接通常是這樣進行的60HZ交流電流(AC)線路的能量被轉換成高(超聲波)頻率(20-40KHZ)AC能量，進而通過壓電換能器轉化為具有同一超聲頻率的機械振動。上述能量轉換在通常稱為發(fā)生器/轉換器10的超聲波焊機部分進行。機械振動12通過助推器15和焊接觸頭20傳至需連接的塑料零件25，30。該組件總稱“疊件”(stack)。助推器15和觸頭20的幾何形狀確定疊件中出現(xiàn)的振動放大程度，因而確定了施加在塑料零件25，30上的振動22。振幅在很大程度上決定了可利用的超聲波能量。焊接觸頭20按常規(guī)設計成能與第一塑料件25配合，第二塑料件被一常規(guī)結構的夾具35夾持，該夾具還起防止其變形的作用。機械振動22引起分子間的振動，從而在塑料件25，30中產生摩擦熱。通過適當的焊接接合部設計，可使分子間的摩擦在局部最大限度增強，從而有選擇地熔化局部塑料零件，將它們焊在一起。整個過程是在施加的機械力40作用下進行的，該力的方向使第一塑料零件25與第二塑料零件30接觸，從而保證它們緊密接觸。該力分兩步施加，第一步在施加超聲波振動22之前，稱為觸發(fā)力，第二步在施加超聲波振動過程中，稱為焊接力。觸發(fā)力顯著大于使兩焊接接合部彼此接觸所需的力，以保證沿整個焊接接合面同時發(fā)生熔化，一旦施加該觸發(fā)力，立即開始引入超聲波能量。焊接力不必等于觸發(fā)力，但在很大程度上決定了兩零件連接的速率。
在本發(fā)明的一種實施例中，第一和第二塑料件25，30由注塑試件構成，這種試件被稱為改型工字梁，它們明顯不同于美國焊接學會塑料和復合材料連接G-1分會(The American welding society G-1 subcommitee on the Joining of plastics and Composites)制定的標準試件之處在于，它們在至少一個塑料件的至少一個區(qū)域有尖銳部分23。該第一和第二塑料件用聚碳酸酯(一種熱塑性塑料)注塑而成，然后通過化學鍍敷工藝覆蓋一層銅或鎳鍍層27。測得的銅鍍層厚約1μm。測得的鎳鍍層厚約0.25μm。它發(fā)現(xiàn)金屬鍍層厚度范圍從0.1μm至5μm是有用的，精確的厚度隨結構要求和所選擇的金屬而變化。然而鍍層不能形成得太厚或太堅固，以致不能被焊接力克服，導致不能實現(xiàn)良好焊接。其它等同的鍍敷塑料件的方法也可成功地使用，例如真空沉積鍍層(陰極真空噴鍍，蒸發(fā)沉積鍍，等)，電鍍，火焰噴鍍，用鍍金屬涂料刷鍍等。此外，其它金屬，如鋁，鉻，錫或鈦，也可使用。與傳統(tǒng)技術不同之處在于，金屬鍍層27形成在整個零件表面，并且不被有選擇地去除，或在鍍敷時對焊接接合部進行罩護。焊前第一塑料件25如圖示那樣相對第二塑料件定位。采用適當的夾具35，使兩塑料件的互補焊接接合部正確對正。在這個實施例示意圖中，第二塑料件30包含一帶尖銳部分23的焊接接合部。兩焊接接合部的形狀還可在兩塑料零件間互換。尖銳部分23已被發(fā)現(xiàn)對焊接過程中在金屬鍍層中形成一薄弱點是有用的。這個薄弱點通過允許塑料更容易流動和對另一塑料件形成堅固焊接連接有利于焊接工藝。
施加在第一塑料件上的觸發(fā)力為245N，振幅為60μm，而焊接力為267N。終止超聲波能量后，(兩零件在施加的選定焊接力作用下保持一起的時間為0.5秒。采用的這些工藝條件使兩塑料件中的互補焊接接合部局部加熱至超過聚碳酸酯的熔點。熔化的塑料發(fā)生變形，然后在中斷超聲波能量后再固化為焊接連接部。參見圖2，焊后金屬鍍層27破碎，彌散于整個焊接連接部，允許兩塑料件流成一體。一旦完成，該工藝便可提供一種焊成的鍍金屬塑料組件。
參見圖3，鍍金屬塑料組件38放在一Instron萬能試驗機上的夾具中，并施以如圖所示的力50，51。該作用力不斷增大，直至使兩焊接件最終拉開造成破壞為止。該試驗按美國焊接學會塑料和復合件連接G-1分會制訂的標準試驗規(guī)程進行。簡單地說，該試驗規(guī)程就是確定使標準焊接試件造成破壞所需的力，與造成具有相同幾何形狀的模塑單件試件(對照試件)破壞所需的力進行比較。用各種塑料件進行的試驗結果如下材料 平均強度單體模塑聚碳酸酯對照件 6352N焊接的無鍍層聚碳酸酯試件 6325N焊接的有鍍層聚碳酸酯試件 6280N上述結果顯示，鍍金屬的塑料組件可用超聲波焊接連接兩個鍍金屬的塑料件成功地制成。用兩個在焊接區(qū)全部鍍有金屬的塑料件可以獲得相當無鍍層塑料件的焊接效果。盡管已對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作了說明和描述，但顯然本發(fā)明并不受其限制。例如，可采用不同的觸發(fā)力、金屬鍍層、塑料成份和焊接接頭形狀。本發(fā)明各種變型、變換，變化，代替和等同替換對該領域的技術人員來說都是顯見的，均在權利要求限定的本發(fā)明保護范圍之內。
權利要求
1.一種超聲波焊接方法，它包括如下步驟提供第一和第二塑料件，第一塑料件的焊接接合部覆蓋有金屬層，而第二塑料件具有互補的焊接接合部；以及用超聲波將兩焊接接合部相互焊接，將第一和第二塑料件連成一體。
2.如權利要求1所述的方法，其中第一塑料件的焊接接合部具有尖銳部分。
3.如權利要求1所述的方法，其中第二塑料件具有覆蓋所述互補的焊接接合部的金屬層。
4.如權利要求3所述的方法，其中第二塑料件的焊接接合部具有尖銳部分。
5.如權利要求1所述的方法，它還包括在所述連接步驟前在第一和第二塑料件上施力的步驟。
6.一種超聲波焊接方法，它包括如下步驟提供第一和第二塑料件，第一塑料件的焊接接合部覆蓋有金屬層，而第二塑料件具有互補的焊接接合部；將第一塑料件的焊接接合部與第二塑料件的互補焊接接合部對正；在第一和第二塑料件上施加一顯著大于使兩焊接接合部彼此接觸所需力的力；以及用超聲波將兩焊接接合部相互焊接，將第一和第二塑料件連成一體。
7.如權利要求6所述的方法，其中第一塑料件的焊接接合部有尖銳部分。
8.如權利要求6所述的方法，其中第二塑料件具有覆蓋所述互補焊接接合部的金屬層。
9.如權利要求8所述的方法，其中第二塑料件的焊接接合部具有尖銳部分。
10.一種超聲波焊接的鍍有金屬的塑料組件，它包括兩個塑料件，每一件具有一焊接接合部，至少一個焊接接合部焊接前覆蓋有金屬層；以及兩焊接接合部的每一部分都發(fā)生變形，以形成兩焊接接合部間的焊接連接。
11.如權利要求10所述的超聲波焊接的鍍有金屬的塑料組件，其中一個塑料件的焊接接合部具有尖銳部分。
12.如權利要求10所述的超聲波焊接的鍍有金屬的塑料組件，其中所述的兩個焊接接合部焊接前都覆蓋有金屬層。
13.如權利要求10所述的超聲波焊接的鍍有金屬的塑料組件，其中所述的兩個焊接接合部都具有尖銳部分。
14.如權利要求10所述的超聲波焊接的鍍有金屬的塑料組件，在焊接連接區(qū)還包括一金屬層。
全文摘要
一種用超聲波將兩塑料件焊成一體的方法。一塑料件30的焊接接合部23覆蓋有金屬層27，另一塑料件25有互補的焊接接合部。用超聲波將兩接合部相互焊接，將兩件連成一體。焊前在兩塑料件上施加力40，它顯著大于使兩焊接接合部彼此接觸所需的力。該方法生產出一種超聲波焊接的鍍有金屬的塑料組件，組件的每一件都有一焊接接合部，至少一接合部焊前覆蓋有一金屬層。兩接合部的每一部分都發(fā)生變形，以形成穿過金屬層的塑料焊接連接。
文檔編號B29C65/08GK1113466SQ9510200
公開日1995年12月20日 申請日期1995年2月17日 優(yōu)先權日1994年5月23日
發(fā)明者安德烈澤·T·古茲克, 史蒂芬·D·亨特 申請人:莫托羅拉公司