張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會，廣東 廣州 510380）

塑料超聲波嵌插技術(shù)

Plastic ultrasonic intercalation technologgyy

張勝玉

（廣州市特種設(shè)備行業(yè)協(xié)會，廣東 廣州 510380）

超聲波嵌插是將金屬件嵌入塑料工件的裝配方法。它兼具傳統(tǒng)嵌件模塑高性能強(qiáng)度與脫模后安裝的優(yōu)點(diǎn)。可同時嵌插多個嵌件，適合于自動化、大批量生產(chǎn)。本文對超聲波嵌插原理及過程、嵌插適應(yīng)性、嵌插設(shè)計、工藝參數(shù)、設(shè)備要求、特點(diǎn)、常見問題分析及處理進(jìn)行了論述。

超聲波嵌插；嵌件；安裝孔；焊頭；鋸齒邊；滾花；凹槽；螺紋嵌件

工業(yè)生產(chǎn)上常常需要將套筒螺母/螺紋襯套（threaded bush）封入塑料件中。傳統(tǒng)上這是通過夾物模壓/嵌件模塑（insert molding）來完成的。夾物模壓有幾個缺點(diǎn)：由于嵌件不慎跌落減慢制模機(jī)的速度，增加鑄模損傷風(fēng)險。在需要多個嵌件時，這些問題更加嚴(yán)重。超聲波嵌插使在鑄模完成之后封裝嵌件成為可能，避免了上述問題。而且制模機(jī)可自動運(yùn)轉(zhuǎn)，因而提高了生產(chǎn)率。

1 超聲波嵌插原理及過程

超聲波嵌插的基本原理是超聲振動通過驅(qū)動件傳遞到金屬和塑料界面，金屬嵌件相對塑料的振動產(chǎn)生摩擦熱，引起塑料瞬間局部熔化。在嵌件被推進(jìn)到位時，熔化塑料流入嵌件鋸齒邊和凹槽。超聲能量中止時，塑料再凝固，鎖定嵌件。

超聲波嵌插是通過超聲振動使嵌件推入塑料（圖1a）或是塑料工件壓過金屬嵌件（圖1b）來實(shí)現(xiàn)的。在絕大多數(shù)嵌插應(yīng)用中，焊頭接觸嵌件。但焊頭接觸塑料工件而不是嵌件有幾個優(yōu)點(diǎn)。焊頭接觸金屬嵌件時遇到的焊頭磨損問題得以緩和，可以采用鍍鉻的鋁或鈦焊頭。而且，噪聲值降低，功率要求也沒有那么高。

2 各種塑料的超聲波嵌插適應(yīng)性

超聲波嵌插適用于絕大多數(shù)熱塑性塑料。與普通的超聲波焊接相反，一般說來，塑料愈軟，愈容易超聲波嵌插。表1列出了各種常用熱塑性塑料超聲波嵌插難易程度。

圖1 超聲波嵌插原理簡圖

表1 常用熱塑性塑料超聲波嵌插難易程度

3 超聲波嵌插設(shè)計

超聲波嵌插的安裝孔稍小于嵌件的直徑，是通過模壓成或在塑料工件上鉆孔而成?？滋峁┮欢ǔ潭鹊倪^盈并導(dǎo)入嵌件。金屬嵌件通常設(shè)計帶有外滾花、凹槽或螺紋以承受施加在成品組件上的負(fù)載。嵌插件可以是各種各樣的零件外形，如平的、圓的等。最常用的是圓的螺紋嵌件。

嵌件或孔的設(shè)計由功能特性或使用要求決定。必須位移足夠量的塑料以填滿嵌件外部凹槽、滾花和/或螺紋來鎖定嵌件并產(chǎn)生所需要的使用強(qiáng)度。主要為拔拉強(qiáng)度設(shè)計的典型螺紋嵌件應(yīng)有多個凹槽以提供最大抗力（見圖2）；在需要最大抗扭強(qiáng)度時，嵌件應(yīng)有長軸直紋滾花（見圖3）。設(shè)計有凹槽和滾花的組合嵌件既能獲得拔拉強(qiáng)度也能獲得抗扭強(qiáng)度。

圖2 螺紋嵌件

圖3 錐形嵌件

嵌件安裝孔應(yīng)設(shè)計成有足夠量的材料因嵌件而移位。這些材料填滿嵌件外部凹槽、滾花和/或螺紋以鎖定嵌件并產(chǎn)生所需要的使用強(qiáng)度。此外安裝孔應(yīng)設(shè)計成不致使嵌件觸底回升。推薦的最小孔深是嵌入長度加上0.762 mm，可為前方位移材料提供空隙。這一點(diǎn)對于螺紋孔嵌件尤其重要，因?yàn)樗芊乐共牧媳淮┛滋Ц邔?dǎo)致嵌件不能發(fā)揮作用?？咨钜矐?yīng)足以防止螺紋螺絲在最后裝配中觸底回升。這也可通過規(guī)定適當(dāng)?shù)穆萁z長度來加以防止?？卓梢允清F形的（尤其是在承接錐形嵌件時），這有利于嵌件的精確定位，而且通常會縮短裝配時間。

在插進(jìn)盲孔中時，應(yīng)提供沿嵌件的開口或安裝孔。這樣防止嵌件下方壓力增長（可能難以獲得重復(fù)的結(jié)果及影響嵌件周圍工件表面的外觀）。

建議在嵌件或安裝孔中設(shè)計有導(dǎo)入端，允許20%的嵌件在嵌插之前位于孔中。這樣可更容易裝卸工件，而且在焊頭初始接觸嵌件時或在自動化轉(zhuǎn)位過程中防止嵌件脫離孔。

在嵌件頂上應(yīng)運(yùn)用小法蘭以產(chǎn)生更大的焊頭接觸面積，此外還將沿著嵌件側(cè)面向上位移的材料推回到嵌件周圍。如果需要密封，需要專門設(shè)計引入墊圈或O形環(huán)的嵌件以獲得一致的結(jié)果。

絕大多數(shù)嵌插應(yīng)用需要安裝標(biāo)準(zhǔn)螺紋孔嵌件。但也可嵌插其它金屬件（如眼鏡鉸鏈、機(jī)器螺釘、螺桿、滾銷、金屬座圈、金屬網(wǎng)或篩、裝飾條、電觸點(diǎn)、終端線夾）以及織物和高熔點(diǎn)塑料。

4 超聲波嵌插工藝參數(shù)

超聲波嵌插過程中應(yīng)考慮遵循以下的基本指導(dǎo)方針：

（1）嵌插時間不應(yīng)超過1.5 s；

（2）低到中的振幅。焊頭/變幅桿組合的全增益應(yīng)在1.5～2.5之間；

（3）低到中的壓力（0.1～0.28 MPa）。對于大型或多個嵌件，壓力相應(yīng)增加。壓力應(yīng)足以防止冷壓嵌件；

（4）預(yù)觸發(fā)超聲波能量以防止失速狀況；

（5）減慢機(jī)架組件的下降速度以允許出現(xiàn)熔化及防止冷壓嵌件；

（6）焊接過程中剛性夾具提供足夠的支撐；

（7）就位后，嵌件頂部應(yīng)齊平或稍高于工件表面以獲得最大拔出強(qiáng)度和抗扭力（見圖4）。這也會避免出現(xiàn)拔出狀況的可能性。

圖4 防止拔出

5 超聲波嵌插設(shè)備要求

為確保超聲波嵌插有效進(jìn)行，必須遵循以下設(shè)備要求：

（1）最低功率要求：

嵌件外徑小于6.35 mm：1 000 W

嵌件外徑小于12.7 mm：2 000 W

嵌件外徑大于12.7 mm：2 000 W（或以上）

多個嵌件：2 000 W或以上

（2）由于焊頭接觸嵌件的應(yīng)用中伴隨著高磨損，焊頭應(yīng)由淬硬鋼或硬質(zhì)合金覆面的鈦組成以最大程度降低對焊頭表面的磨損。

（3）如果可能，焊頭表面應(yīng)為嵌件直徑的3～4倍以最大程度降低嵌件與焊頭的耦合作用。

（4）在焊頭接觸嵌件的應(yīng)用中，焊機(jī)內(nèi)應(yīng)設(shè)置換能器保護(hù)電路。這可以防止對換能器和關(guān)聯(lián)線路及連接器的可能損害（來自于由金屬與金屬之間的機(jī)械沖擊產(chǎn)生的逆壓電效應(yīng)引起的電反饋）。

（5）為保持精確的嵌插深度，焊頭的總行程應(yīng)受到限位擋塊的機(jī)械限制或者通過能測量熔降或最終距離（絕對焊接距離模式）的線性光學(xué)編碼器進(jìn)行電子控制。

（6）推薦采用預(yù)觸發(fā)。對于很小的嵌件，預(yù)觸發(fā)防止冷壓嵌件。對于大型（12.7 mm以上）嵌件或多個嵌件，預(yù)觸發(fā)可防止可能造成電源過載的啟動載荷過高。

（7）待夾緊工件在嵌件安裝孔下方應(yīng)受到固定支撐。這防止工件負(fù)載彎曲及確保能量消耗在界面處。

6 超聲波嵌插特點(diǎn)

超聲波嵌插優(yōu)點(diǎn)包括：循環(huán)時間短（一般少于1 s）、同模壓或冷壓相比，嵌件周圍產(chǎn)生的應(yīng)力最小，消除了夾物模壓過程中嵌件落入模中造成模具損壞和停工的可能性，降低模塑循環(huán)時間，可一次推動多個嵌件，適合于自動化、大批量生產(chǎn)、可重復(fù)性、一致性及過程可控性好、可加工熱固性塑料、同直接熱過程相比，可獲得更一致的結(jié)果。

7 超聲波嵌插常見問題分析與處理

超聲波嵌插過程的常見問題，可能產(chǎn)生的原因和解決辦法見表2。

表2 超聲波嵌插常見問題分析與處理

續(xù)表

8 結(jié)語

超聲波嵌插是在塑料工件中嵌入或封裝金屬件的裝配方法。該方法可取代在金屬件周圍注射模塑塑料的昂貴、耗時的傳統(tǒng)方法——夾物模壓。

超聲波嵌插質(zhì)量很大程度上取決于一系列技術(shù)、機(jī)械和聲學(xué)參數(shù)，嵌插方式、連接材料的物理化學(xué)和物理力學(xué)性能、接觸表面的物理狀態(tài)、接合表面的幾何形狀、超聲振動的振幅和頻率、超聲波能量強(qiáng)度、靜壓力和接觸壓力、超聲作用時間等。

超聲波嵌插兼具傳統(tǒng)嵌件模塑高性能強(qiáng)度與脫模后安裝的優(yōu)點(diǎn)。它不限于標(biāo)準(zhǔn)型螺紋嵌件，可嵌插各種各樣的套筒、端子、套圈、軸心、樞軸、護(hù)圈、通孔管件、緊固件、鉸鏈門梃、接線柱、手柄定位銷和裝飾性附件。超聲波嵌插速度快、工件殘余應(yīng)力小、消除了潛在的模具損害、可重復(fù)性好、過程可控、降低了模塑成本、提高了生產(chǎn)率。它可同時作用于多個嵌件，適合于自動化、大批量生產(chǎn)，因而在各行各業(yè)獲得了大規(guī)模應(yīng)用。

（XS-04）

一種多孔球形丙烯聚合催化劑及制備方法

中國石油天然氣股份有限公司開發(fā)出一種多孔球形丙烯聚合催化劑及制備方法。鎂化合物與有機(jī)醇化合物反應(yīng)，產(chǎn)物與羧酸衍生物接觸，原位生成內(nèi)給電子體；向體系中加入含模板劑的鹵代烷烴溶液，將形成的混合物與鈦化合物混合反應(yīng)，加入乳化劑和湍流減弱劑，形成穩(wěn)定的液液兩相體系；將形成的液液兩相體系升溫固化，析出固體顆粒，得到懸浮液；將懸浮液用鹵代烷烴溶液洗滌，除去模板劑，用惰性烴溶劑洗滌，在熱氮?dú)庵懈稍?，得到催化劑顆粒。該催化劑呈現(xiàn)良好的球型形貌，粒徑大小適中且分布較窄，具備較適宜的比表面積，該催化劑用于丙烯聚合時具有較高的活性，所得聚丙烯產(chǎn)物堆密度較高且細(xì)粉少。

TQ320.674

1009-797X（2015）06-0001-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.06.001

張勝玉（1970-），男，高級工程師，畢業(yè)于上海交通大學(xué)材料科學(xué)及工程系焊接專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。已發(fā)表論文10余篇，其中《塑料激光焊接》在第三屆華中地區(qū)科學(xué)技術(shù)推廣大會榮獲二等獎，《攪動摩擦焊原理及應(yīng)用》被中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會評為一等獎。研究方向：塑料及復(fù)合材料焊接，焊接新技術(shù)、新工藝。

2014-12-08