零件間的連接與固定設計

第五章零件間的連接與固定設計本章主要介紹零件間的連接與固定5.1概述5.2塑料件的可拆連接5.3塑料件的不可拆連接第五章零件間的連接與固定設計5.4裝配方法的選擇連接也叫組裝或裝配，是將兩個或兩個以上的零部件連接在一起的工藝和技術。塑料制品的連接有可拆連接、不可拆連接、焊接和粘接等。很多的塑料產品都可能是由不同材料、不同功能的零部件組裝而成。連接設計的目的就是要根據(jù)各種因素設計一種最適宜的連接方法，將零部件組裝到一起。5.1概述設計一種連接方式要考慮以下因素：連接件屬性：幾何形狀及尺寸、材料性能和適應性。拆裝性能：是否需要拆裝、可靠性、安全性、可逆性、拆裝頻率等。操作性能：簡單、方便、快捷、省力。產品使用環(huán)境：負荷、溫度、濕度、化學介質。5.1概述環(huán)保因素：以回收為目的的連接件的易拆卸性。經濟因素：組裝成本、輕量化、省能源型。美學要求：組裝外觀、美學效果。5.1概述5.2可拆連接可拆連接可分為彈性連接（搭扣連接）和螺紋連接。5.2.1彈性連接（搭（卡）扣連接）彈性連接可分為懸臂搭扣連接、環(huán)形搭扣連接和扭轉搭扣連接。在現(xiàn)實生活中應用廣泛。如簽字筆筆帽和筆桿的連接、瓶蓋瓶口的連接以及遙控器電池蓋的連接等。搭扣連接具有良好的可靠性和滿足使用要求的連接強度，而且結構簡單、經濟，可迅速連接兩個相同或不同材料的零件。在大量生產時，搭扣連接是所有連接方法中成本最低、裝配最簡單、裝配速度最快的一種連接方法。5.2.1彈性連接（搭（卡）扣連接）瓶蓋與瓶口的搭扣連接遙控器電池盒面板與盒體U形懸臂搭扣連接彈性連接的形式各不相同，但基本原理一致。即連接件的一方有一個凸起部分，叫做凸緣；連接件的另一方有一個凹槽。連接時，連接力迫使凸緣這一方連接件產生瞬時曲撓變形，連接完成后變形部分隨之恢復，配合部分處于無應力狀態(tài)。彈性連接的依據(jù)是：塑料在室溫下段時間內所具有的較大的彈性變形特征，因此，材料選用是重要的一環(huán)。通常其中一個零件相對較硬，而另一個有柔韌性，有較好的彈性和抗疲勞強度。除此之外就是結構和尺寸的設計。搭扣連接的形式、種類很多。可以設計成固定式，即配合零件之間不存在相對運動；或可動式，即零件接合之后，它們之間可存在相對運動。連接可以是最終連接，也可以是臨時連接，后者通常作為焊接或粘接之前的一種過渡連接。對搭扣連接比較通用的分類方法是將其分為：懸臂搭扣連接、環(huán)形搭扣連接和扭轉搭扣連接。1.懸臂式搭扣連接這是搭扣連接中最基本的、最常見的，也是變化最多的連接形式。一種典型的懸臂搭扣連接如圖所示。左邊的零件是帶有凸緣的懸臂梁，稱為懸臂鉤；右邊接合件以扣槽為結構特征。1.懸臂式搭扣連接懸臂鉤可以看成由梁和凸緣組成，梁和凸緣的設計是懸臂梁搭扣設計的關鍵。（1）懸臂鉤的幾何結構和尺寸參數(shù)

梁的截面是梁的重要結構參數(shù)，不同的截面形狀對載荷作用下梁的行為有直接影響。在懸臂搭扣中，梁的截面類型有：三角形、矩形、梯形、圓形、橢圓、半圓和扇形等。懸臂鉤的結構尺寸凸緣高度凸緣有效厚度壁面厚度梁的長度梁根部厚度咬合角脫開角凸緣長度（1）懸臂鉤的幾何結構和尺寸參數(shù)

沿梁的長度方向，如果截面形狀和尺寸不變，為等截面的連續(xù)梁。如果沿長度方向梁的厚度或寬度逐漸變?。ɑ蛲瑫r變?。@樣的梁稱為錐形梁。同時變小稱為雙斜面，直沿寬度或厚度變小稱為單斜面。（1）懸臂鉤的幾何結構和尺寸參數(shù)

凸緣有三個重要的參數(shù)：咬合角α、脫開角β和凸緣高度Y。咬合角脫開角凸緣高度凸緣的外部形狀有許多的變化：有楔形、圓柱形、錐臺形、半球形等。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

1）梁根部厚度Tb

由梁的撓度計算公式可知，梁的厚度與梁的許可撓曲成反比，梁越厚，梁的柔性越差。尺寸設計時，參照壁厚Tw，Tb可取Tw的50%~60%。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

從梁的根部到端部厚度不變的等截面梁，應力分布不均勻，實際很少采用。比較多是采用矩形截面，而厚度呈線性遞減至根部厚度的一半的設計，這種設計不僅增加了扣入彈性，而且在梁的長度上應力分布更均勻。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

2）梁的長度Lb

梁的長度要注意兩點：一方面梁的長度受到可利用空間和裝配件尺寸的限制；另一方面，梁的許可撓曲與梁的長度的平方成正比。梁的長度是梁根部厚的5~10倍。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

3）梁的寬度Wb

梁的強度可以通過增加梁的寬度得到改善，但隨之裝配力也增加。大多數(shù)梁從根部到端部寬度不變，其寬度可近似小于梁的一半長度。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

4）凸緣高度Y

凸緣高度決定了懸臂鉤扣入和脫開時梁的偏斜程度。可經過公式計算求得。它不僅取決于梁的幾何形狀（截面），梁的尺寸參數(shù)（Tb，Lb），同時也取決于選用塑料的允許應變值大小。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

確定凸緣高度Y時，可以將其設定為梁的最大許用偏斜。作為一般規(guī)則，當梁的長度Lb接近梁根部厚度Tb的10倍時，該高度Y應等于梁根部的厚度。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

5）咬合角

該角度影響裝配力，角度越大，使梁偏斜扣入所需裝配力就越大。合理的角度：25o~35o，一般不超過40o。（2）懸臂鉤的設計規(guī)則

6）脫開角

該角度影響搭扣保持和分離的行為，角度越大，脫開所需的力就越大。當角度為90o時自鎖，為單向搭扣。拆卸時必須人工致偏才能有效分離。通常用于永久性接合，即非拆卸性設計。對于需要拆卸的搭扣（雙向），一般取35o（大于咬合角）。（3）懸臂式搭扣的設計計算有些專用軟件可以對搭扣連接的一些技術參數(shù)進行精確的求解。下面提供手工計算方法和相關公式。（3）懸臂式搭扣的設計計算假設裝配時相連兩零件接觸處的摩擦系數(shù)為f，對應摩擦角為則安裝力和拆卸力的計算式分別為式中Fs:彎曲彈性力；α：咬合角；β：脫開角。K=Fs/Y：彈性比；Y：凸緣高度。（3）懸臂式搭扣的設計計算設σ、ε分別是由凸緣高度Y引起的彎曲應力和應變。凸緣高度Y應由懸臂鉤的許用應力和許用應變確定。受力零件的最大應力和應變應該小于允許的應力和應變。此允許值取在該材料的屈服點σy以下n為安全系數(shù)。若一次性裝配，可取n=1.5，若多次拆卸可取n=2。1）凸緣高度Y的計算凸緣高度等同于梁的許可撓度值，對于等矩形截面梁，在已知梁的長度、厚度及材料的短期允許應變值ε的情況下，可用以下公式計算梁的許可撓度值（3）懸臂式搭扣的設計計算Fs為彎曲彈性力，E為塑料的彎曲彈性模量，J為軸慣性矩，對于矩形截面（5-1）（3）懸臂式搭扣的設計計算（5-2）則得（5-3）也可用下面更簡單計算公式（5-4）為材料的允許短期應變值。（3）懸臂式搭扣的設計計算均勻矩形梁根部的彎曲應變校驗式（5-6）厚度漸變至根部厚度一半的矩形截面錐形梁（5-5）在Tb的作用下，高的彈性比意味著較大的彎曲應力，懸臂固定端彎曲應力應該小于該材料的屈服應力梁的材料、幾何形狀和尺寸的彈性比為（5-7）彎曲力矩（5-8）彎曲應力（5-9）將（5-7）代入后得彎曲應力校驗式（5-10）n為安全系數(shù)。h=Y，滿足凸緣高度的設計式為（5-11）對于其他截面的梁，可用同樣方法推出彈性比、彎曲應力、應變和凸緣高度。這種彈性零件的以選用在彈性范圍內，具有合適的彈性模量和有較大應變的剛性塑料為宜。適合用于梁的塑料有：PC、HIPS、ABS、PA、PP。塑料名稱短期應變量塑料名稱短期應變量PE(聚乙烯)8PA(聚酰胺)6PP(聚丙烯)6POM(聚甲醛)6PS(聚苯乙烯)1.8PBT5ABS2.5PC(聚碳酸酯）4PVC(聚氯乙烯)2HIPS2常用塑料允許短期應變值[ε]（%）如果搭扣設計中，包括凸緣高度在內的尺寸都已初步設定，也可利用上述撓度計算公式計算允許應變量，并與已知材料的允許應變量比較，從而驗證設計的尺寸是否在安全設計范圍內，當然，最后的驗證還必須結合終端應用實驗來確定。但需要注意的是，搭扣連接通常為低載荷而設計，過度的應力可能導致接頭損壞，而一旦損壞則很難修復。因此尺寸的精確設計和正確的操作方式對搭扣連接是非常重要的。搭扣設計需要一些基本的理論，也需要大量的實踐經驗，以及從廣泛應用的消費市場上的各種精密組件（照相機、手機、遙控器和電腦等）的搭扣設計中獲得有益的借鑒和啟示，才能不斷提高設計水平，設計出耐用的、構思精巧的各種搭扣連接。（2）環(huán)形搭扣連接環(huán)形搭扣連接常用于組裝圓柱形的制品。比較典型的是圖示的軸與轂的連接。連接時，由于受凸臺的影響，推進過程中，連接的雙方產生變形，特別是材料柔軟產生較大的彈性變形，待凸臺進入凹槽卡住，形變恢復。嵌入變形彈性恢復環(huán)形搭扣連接的特點是，它是依靠徑向的彈性變形來實現(xiàn)裝配和保持強度；其次，由于結構上的特點，組裝后的部件基本處于無應力狀態(tài)。在軸轂組裝的部件中，一般轂采用柔性材料，而軸采用剛性材料。在組裝過程中，轂的彈性變形除了與材料有關外，還與轂的厚度以及轂的凹槽至端部的距離S有關。（2）環(huán)形搭扣連接為此，應使凹槽致端部的距離合理靠近，否則轂的剛性可能大大超過預期值，從而導致接合件損壞?？晒﹨⒖嫉囊粋€經驗公式式中Dk為連接件的配合直徑，t為轂的厚度。（5-12）一般咬合角取20o~30o，脫開角取40o~50o。角度的大小可以控制搭配結構相應的裝配力和脫開力。永久鎖緊型，脫開角可采用更大的角度，直至90o。對于可拆卸的搭扣裝配，為滿足重復拆裝的強度要求，配合不宜過緊，應有較大的間隙。為了便于裝配，凸臺一般在滿足要求的情況下盡量取較小值，最大允許的凸臺尺寸可用下式計算式中為軸上的凸臺高度，Dk為軸的直徑，σ為應力值，Vk為轂的泊松比，Vs為軸材料的泊松比，Ek為轂材料的彈性模量，Es為軸材料的彈性模量，K為幾何系數(shù)。（5-13）Dk為軸的直徑，Ds為轂的直徑。對于設計者來說，確定應力值應在材料允許的最大應力范圍之內，設計應力值不是常數(shù)，而是隨著濕度、溫度、化學環(huán)境及時間變量而變化。根據(jù)計算出的允許凸臺尺寸，可以求出作用于轂材料上的膨脹力P。（5-11）（3）扭轉搭扣連接扭轉搭扣連接最常見的應用是固定箱子或容器上的合葉蓋。如圖示。扭轉搭扣固定有一個支撐軸，當正向施加推力于搭扣件時，搭扣件以軸為心產生扭轉。只要以杠桿原理設計出搭扣的尺寸，便可以以很小的力開啟很緊的搭扣連接。扭轉搭扣連接的應用采用扭轉搭扣配合的軸設計中要注意的是：一是不要將搭扣桿設計的太小，以免扭轉角度和扭力變得太大；二是開啟桿的長度應大于搭扣桿的長度（b>a），這樣可減少開啟所需的力。（4）搭扣連接的優(yōu)缺點優(yōu)點（1）無需附加材料（2）裝配容易（3）可選相異材料（4）永久性（5）形狀自由（6）效率高（7）環(huán)保（4）搭扣連接的優(yōu)缺點缺點（1）模具限制（2）工藝限制（3）材料限制（4）卡扣失效（5）密封限制（6）環(huán)境限制（7）熱膨脹性5.2.2螺紋連接螺紋連接也是常用的連接方式?？梢栽谒芰霞现苯蛹庸然蛲饴菁y與連接件緊固，或者在塑料件上的金屬螺紋嵌件上作出螺紋進行連接。也有的用螺栓和螺母連接。自攻螺釘?shù)倪B接也是一種常用的方法。螺紋連接要注意的問題：（1）塑料件上的螺紋強度較差，且成型困難；（2）注射成型塑料件上螺紋孔周邊存在溶合縫（飛邊），該處強度比無縫區(qū)差；（3）塑料連接件在緊固后有較高殘余應力，存在應力集中，蠕變使連接件的尺寸和連接強度不穩(wěn)定；5.2.2螺紋連接1.螺釘連接是指塑件中帶有內螺紋的金屬嵌件，然后用金屬螺釘將被連接件緊固的一種方法。連接強度高，適合反復拆裝。5.2.2螺紋連接2.自攻螺釘用自攻螺釘可以在塑料件預制的光孔內攻出螺紋構成連接。它成本低，適合大批量產品的生產，但拆裝次數(shù)有限。5.2.2螺紋連接自攻螺釘連接畫法自攻螺釘分為擠壓自攻螺釘和刮削自攻螺釘兩種。擠壓是以鋼制螺釘對塑料底孔的擠壓，擠出內螺紋與旋入的自攻螺釘配合。刮削自攻螺釘具有絲錐的功能，此種螺釘?shù)淖畛鯉籽谰哂锌v向切削槽，在攻入時會產生對塑料的切削。2.自攻螺釘自攻螺釘?shù)膰覙藴蕿椋篏B/T5280（自攻用螺紋）、GB/T845（十字槽盤頭自攻螺釘）、GB/T846（十字槽沉頭自攻螺釘）、GB/T847（十字槽半沉頭自攻螺釘）等。自攻螺釘?shù)牧W性能GB/T3098.5規(guī)定，自攻螺釘用滲碳鋼制造，表面硬度應大于45HRC。對于塑料有足夠強度和硬度，且作表面鍍鋅鈍化處理。自攻螺釘?shù)膰覙藴?.螺栓連接用標準螺栓和螺母及墊圈，利用塑料件上已有的光孔裝配連接。此連接可靠耐久，可反復裝拆，但零件數(shù)目多，設計時要避免螺栓頭和螺母突出在塑料件表面上。5.2.2螺紋連接4.塑料螺紋連接即外螺紋和內螺紋都在塑料件上實現(xiàn)連接的方法。如管材管件的連接以及瓶蓋和瓶體的連接等。5.2.2螺紋連接在塑料上制作螺紋有以下缺點：（1）熱膨脹性兩種材料的熱膨脹系數(shù)的巨大差異會導致螺紋或凸臺的應力開裂或螺紋變松。（4）塑料螺紋連接（2）吸濕性一些塑料會因吸濕而到一定程度會導致螺紋變松。（3）應力松弛和蠕變隨著時間變化，材料承受應力的能力會下降，尤其在較高的溫度時，可能會導致螺紋的開裂或產生裂紋。（4）環(huán)境限制化學作用或紫外線照射都可能引起應力開裂導致螺紋失效。緊固件連接畫法螺栓連接螺釘連接不可拆連接包括鉸鏈連接、壓力裝配等。還應包括焊接和粘接等。5.3不可拆連接鉸鏈連接是指連接的兩個部件繞軸轉動的一種連接方法，如眼鏡盒、藥盒、垃圾桶、翻蓋手機等?？蓪蓚€部件設計成一體，采用注射、吹塑或壓塑等成型方法一次成型。它利用了柔性塑料可以承受數(shù)千次甚至上百萬次的屈撓而不破裂的這樣一種特性，制成連接成一體的塑料鉸鏈。5.3.1鉸鏈連接鉸鏈連接適用的材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。最適合作為柔性連接的是聚丙烯（PP），如果設計和工藝上不存在問題，它可以經受上百萬次的屈撓而不破裂，因而應用甚廣。5.3.1鉸鏈連接5.3.1鉸鏈連接1.優(yōu)點（1）可重復開合（2）減少零件數(shù)量（3）尺寸減小2.缺點（1）模具復雜精度高（2）延長了產品的開發(fā)時間5.3.1鉸鏈連接鉸鏈可分為單件集成、兩件集成和多件組合。其中前兩種可看作是集成鉸鏈，是由于模塑成型，而不需要其他附加部件。之所以叫單件集成，是其兩個零件作為一個整體模塑而成。兩件集成的鉸鏈，所有鉸鏈零件都是模塑而成的塑料件，先加工單獨的零件，最后組裝。多件組合鉸鏈需要使用附加的零件，比如桿或金屬等鉸鏈部件。壓配連接是兩個零件在持久壓力的作用下，結合部分采用彈性變形而相互壓緊實現(xiàn)緊固連接的一種方法。壓配連接最常見的是圓柱形零件的連接。實現(xiàn)壓配連接的必要條件是：軸的直徑比孔的直徑大，即產生過盈。壓配應力可通過計算得出，它與過盈量、軸和轂的幾何尺寸，以及材料的彈性模量、泊松比有關。5.3.2壓配連接壓力裝配與彈性卡扣連接實心軸空心軸雙懸臂彈性卡扣彈性卡扣連接直徑方向的干涉量Id應比槽寬S小一些，Id

/S<1，屬于彈性卡扣連接。軸和孔的彈性變形恢復使它們相互緊固。其裝配彈性比彈性卡扣連接裝配彈性比K低于軸和孔各自的彈性比。壓力裝配后，軸和軸套之間存在接觸壓應力，這個壓應力要經過相當長的時間才會完全釋放。由于塑料的黏彈性，經應力松弛和蠕變，該干涉應力可能會消失，壓裝失效。過盈連接簡稱焊接，它是利用熱塑性塑料在熱熔融狀態(tài)下，分子鏈能夠自由流動，容易實現(xiàn)分子間的重新排列這一特點，來實現(xiàn)塑料零部件之間的連接的。焊接的基本過程是：（1）將待焊接的兩個塑料件在一定壓力作用下緊靠在一起；（2）使結合處的分子鏈段處于熱熔融狀態(tài)；5.3.3熱熔焊接5.3.3熱熔焊接（3）在熱和壓力作用下，分子鏈段穿過焊接界面相互擴散和纏結，界面消失；（4）冷卻塑料件，鏈段凍結，兩個塑料件結合在一起。5.3.3熱熔焊接由焊接過程可知，實現(xiàn)焊接的三個必要條件是：焊接溫度—實現(xiàn)塑料的熔融和流動；焊接時間—完成塑料的加熱熔融和冷卻固化，建立起足夠的焊接強度；焊接壓力—促進塑料大分子相互擴散，排出焊縫中的殘余氣體，使熔體填滿空隙。5.3.3熱熔焊接熱熔焊接分為：熱氣焊接、熱板焊接、超聲波焊接等。確定焊接方法主要考慮的因素是焊接件的幾何形狀、節(jié)點載荷、尺寸、成型成本和裝配成本。方法原理特點適用場合熱氣焊接空氣或惰性氣體經焊槍加熱后，用來加熱焊條和被焊塑料件，使之溶接。需供氣系統(tǒng)、焊槍及輔助工具，生產效率低、外觀質量差；焊縫強度僅為塑料強度的50%~80%。大多數(shù)熱塑性塑料。常用于硬PVC板料和管件的焊接方法原理特點適用場合熱板焊接利用加熱板和電熔鐵等加熱工具，直接熔化被連塑件表層，移去后加壓冷卻。工藝和設備簡單，接縫強度達塑件強度80%以上。但易引起開裂，工藝參數(shù)要求嚴格。不易分解的PE、PP、和PC等。超聲波用超聲波發(fā)生器的、幾十kHZ的頻率的機械能，使塑料件產生內摩擦熱而熔融連接高效、高質和低耗的熔接方法，但價格昂貴。在連接面上需設計突起的接頭。一般只能溶接同種塑料，不同塑料及非塑料有條件限制。摩擦焊接利用旋轉法或振動法使被連接塑料間摩擦生熱，加壓熔融端面使之焊接。焊接速度快，致密性好，接縫強度高，不易氧化。其接頭形式需凹凸、斜面或階梯相配。PVC、PE、PP、PA、ABS、POM和PC等多數(shù)熱塑性塑料。但僅適用小型圓形的棒料和管件。方法原理特點適用場合振動焊接兩個塑件被夾持在一起，一個被靜態(tài)固定，一個相對它振動產生摩擦熱。沿共同界面的將兩個塑件連接在一起。振動頻率為120~240HZ，振幅為0.5~4mm?？捎糜诟鞣N塑料制品的焊接，且便于較大制品（500mm）的連接。因玻璃纖維取向影響，接縫強度差，不適合玻璃纖維增強塑料。電磁焊接電磁焊接的接合物是金屬粉末和熱塑性聚合物的混合物，結合劑在高頻磁場的感應下，熔化周圍兩連接塑件。需3~10MHZ的磁場，有2~5kw的功率，需預制圓條或墊片狀結合劑置于焊接面。所有的熱塑性塑料，還可將塑料件與纖維織物、紙、皮革等焊接在一起。1.熱氣焊接熱氣焊接是氣體加熱焊接法的簡稱，又稱熱風焊。壓縮空氣或惰性氣體經過焊槍中的加熱器，被加熱到焊接塑料所需的溫度，然后利用預熱氣體加熱焊條和被連接區(qū)，使之達到熔融黏稠狀態(tài)，在不大的壓力下連接塑料，冷卻定型。大多數(shù)熱塑性塑料都可以用熱氣焊接。1.熱氣焊接優(yōu)點（1）投入低（2）形狀自由（3）輕便性（4）可以焊接難以連接的材料（如聚乙烯、聚丙烯）（5）加工尺寸沒有限制（6）易學1.熱氣焊接缺點（1）效率低（2）需要附加材料（焊條）（3）敏感性（4）需要操作員成本熱氣焊根據(jù)不同的場合焊縫有許多種：如圖為單V形、雙V形對焊、搭接式角焊等，它們尺寸（a、b、S、α都有相應的規(guī)定。接頭設計2.超聲波焊接超聲波焊接是熱塑性材料的焊接方法之一，優(yōu)缺點共存。優(yōu)點如下：（1）沒有附加材料（2）裝配容易（3）可以嵌入其他零件（4）永久性（5）零件輪廓自由（6）密封性好2.超聲波焊接（7）能耗低（8）凈化空氣（9）速度快，生產效率高，適合自動化生產2.超聲波焊接缺點（1）形狀限制（2）工藝限制（3）對電子元器件有危害（4）尺寸限制（0.23m×0.3m）（5）材料限制（6）噪聲2.超聲波焊接由于費用少和新的成型技術的出現(xiàn)，超聲波焊接的應用越來有廣泛，由于它焊接速度快、效率高、沒有環(huán)境污染，許多公司都把它作為焊接方法的最佳選擇?？傊?，對于尺寸適中和相容性材料的相對平滑的零件，超聲波焊接是一種快速的、清潔的、永久性連接熱塑性塑料零件的方法。（1）超聲波焊接的原理所有的振動都會產生聲音，然而不是所有的聲音都聽得見，超聲波的意思是“超過聲音”。人類聽力的范圍是18000Hz，高于這個頻率，人就無法聽到。（1）超聲波焊接的原理在超聲波焊接中，通過焊頭在零件的接觸表面引起分子和界面摩擦而產生振動。聚合物開始局部地軟化，當阻尼因子增加時，自身的反應加速，使得大部分振動轉化為熱能，這使塑料零件的溫度升高到熔點。振動停止之后，保壓到產生分子鍵連接，焊縫充分冷卻。（1）超聲波焊接的原理從原理上看，振動源距離焊縫越近，接近焊縫的零件吸收的振動損失越少，當焊頭放在距離焊縫6mm以內時，叫做近距離焊接，即使是薄壁和結晶或低硬度聚合物，也能收到極好的效果。近距離焊接遠距離焊接（1）超聲波焊接的原理遠距離焊接用于較遠距離，要求是無定形或高硬度的厚度較大的熱塑性塑料。近距離遠距離（2）超聲波焊接的材料樹脂是決定超聲波焊接能量水平的一個關鍵因素。材料越硬，超聲波振動從焊頭到焊接面的傳遞越成功。理想狀態(tài)下，兩種零件應具有相同的聚合物組成可以確保焊接兩側在相同的溫度下溶化。（2）超聲波焊接的材料有些情況下，要求兩種零件材料不同。通常，假如不同的材料彼此的玻璃化溫度差在22oC以內，而且它們的分子結構相似，這樣就可以焊接。如聚碳酸酯和丙烯酸酯，聚苯乙烯和改性聚苯醚。然而要求兩種材料在化學上必須是相容的，如PP和PE滿足溫度要求，但化學上不相容，所以不能焊接在一起。而ABS和丙烯酸酯或聚苯乙烯可以焊接。（3）超聲波焊接的接頭所有種類的接頭設計的目標都是使焊縫接觸面積達到最小。臺階式接頭是一種非常有效的連接方式（3）超聲波焊接的接頭3.振動焊接振動焊接在原理上與超聲波焊接有些相似，它可以描述為這樣一種方法，由于焊接尺寸的限制，在超聲波焊接中斷的地方可以使用振動焊接。兩種方法可以互相補充，但振動焊接設備的費用高，通常只有不適合超聲波焊接的場合才使用振動焊接。但實際上，所有熱塑性塑料構成的焊件都可以用振動焊接方法焊接。3.振動焊接兩種方法都是采用高頻振動產生熱量，但以不同頻率和不同方式消耗這些熱量，超聲波焊接是垂直的，頻率范圍是15000~72000Hz，通過分子摩擦產生熱量。振動焊接是水平的，振動頻率在120~300Hz之間，當移動焊件，通過表面摩擦產生熱量。振動焊接的焊件比超聲波的大，并且不需要導向結構。能量導向結構限制了超聲波焊接的加工方法（注射成型）。3.振動焊接振動焊接的優(yōu)點：（1）沒有附加材料（2）表面處理要求低（3）裝配容易（4）可以嵌入其他焊件（5）具有持久性（6）內部焊接（7）形狀自由只要在要求范圍內的一個水平焊接面，可以處理任意形狀的焊件。（8）密封（9）能量效率高（10）凈化空氣3.振動焊接（11）生產效率高每分鐘可處理4~30個焊件。（14）具有焊接大型焊件的能力1016mm×2032mm。（15）控制精確（16）迅速更換焊接（17）容易控制3.振動焊接3.振動焊接振動焊接的缺點：（1）形狀要求必須是光滑的水平面（2）可能損壞電子元件及連接（3）不能用定位銷（4）材料限制（5）噪聲問題（6）設備費用高（1）振動焊接的原理一個塑件被靜止固定，另一個被夾在振動器上。沿接觸面振動產生的熱量，將兩塑料件裝配連接在一起。振動焊接生產周期為5~10s，振幅為0.5~4mm，頻率在120~300Hz之間。兩塑件常用氣壓自動夾緊，并能相對趨近加壓和往復移動。（2）振動焊接的四個階段1）接觸面通過振動，開始表面摩擦，產生熱量；2）聚合物達到熔融溫度，剪切熱使熔體厚度達到所需值；3）振動摩擦產生的熔化熱量等于系統(tǒng)的熱量損失，聚合物和流體達到一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)；（1）振動焊接的原理4）振動停止，在保壓時間內冷卻固化到連接強度（2）振動焊接的材料所有的熱塑性材料都可以用于振動焊接，尤其是適合結晶熱塑性塑料，而它們很難用超聲波焊接。特別適合用振動焊接的材料有：ABS、ABS聚碳酸酯合金、聚甲醛、丙烯酸、聚丙烯、聚芳酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚砜等。（2）振動焊接的接頭設計法蘭式接頭焊接面積大，夾具易設計。而且允許是壓力的作用更靠近接頭。(b)適合薄壁，(c)適合熱成型焊件。（2）振動焊接的接頭設計4.熱板焊接熱板焊接又叫“熔融焊接”或“熱口模焊接”，是一種只需要熱板而不需要其他裝置即可完成的技術，并且可以利用成熟的設備實現(xiàn)高度的自動化。熱板焊接式焊接聚烯烴管材所選擇的一種方法，尤其適合焊接如汽車尾燈罩那樣形狀復雜且不規(guī)則的接頭以及需要密封和由聚烯烴材料制成的用其他方法難以連接的零件。4.熱板焊接熱板焊接的最小厚度1.6mm，甚至薄如氣球。根據(jù)零件尺寸，焊接周期15秒到幾分鐘之間。熱板焊接是振動焊接的競爭對象，因兩種方法的連接強度和材料的相容性基本相同。然而，熱板焊接有較大的尺寸形狀，有較長的成型周期和較高的成本。4.熱板焊接熱板焊接的優(yōu)點：（1）沒有附加材料（2）其他零件的支持（3）裝配容易（4）材料相容性好（5）具有持久性4.熱板焊接（6）形狀自由可以焊接任意形狀輪廓的零件和壁厚為1.6mm的薄壁零件。（7）密封（8）凈化空氣（9）生產效率高每分鐘可處理4~30個焊件。（10）具有焊接大型焊件的能力508mm×1828.8（21in×72in）。（11）無噪聲（12）加工自由（13）可以焊在內壁上4.熱板焊接4.熱板焊接熱板焊接的缺點：（1）能量損耗較大（2）啟動慢（15~30分鐘）（3）在連接區(qū)域產生應力（4）需清理熔融塑料（5）設備成本比振動焊接低，但比超聲波和旋轉焊接高（1）熱板焊接的原理熱板焊接原理焊件簡單，將要連接的零件的邊放在用恒溫控制的熱板上加熱直至邊面熔化，將這兩零件從熱板移開，然后將軟化了的兩表面壓在一起，最后將兩零件保持不動直至冷卻固化。（2）熱板焊接類型熱板焊接分為低熱板焊接、高熱板焊接和非接觸熱板焊接三種。低熱板焊接是指550oF或更低的溫度下進行焊接。適合聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等材料的焊接。低熱板焊接具有強度高（比高熱板）、可減少對材料的降解和焊接范圍大的優(yōu)點。但周期較長，不能對玻璃纖維填充材料進行焊接。（2）熱板焊接類型熱板焊接分為低熱板焊接、高熱板焊接和非接觸熱板焊接三種。高熱板焊接是指550oF~700oF和700oF~850oF的溫度下進行焊接。適合聚丙烯（PE）、ABS和聚甲基丙烯酸甲酯等材料的焊接。高熱板焊接縮短了焊接周期并降低了成本，接觸時間會從一般低溫焊接的20s降低到4~6s。缺點是限制了焊接材料種類，而且會導致焊接區(qū)域變色，焊接強度不高。（2）熱板焊接類型熱板焊接分為低熱板焊接、高熱板焊接和非接觸熱板焊接三種。非接觸熱板焊接焊接非常困難的材料可以用非接觸焊接。這種焊接典型的材料為聚碳酸酯（焊殘問題）、聚甲醛（釋放氣體）和無填充物的尼龍（與熱板接觸會燒焦并難以分離）對具有急劇熔融轉變的材料非常適合。缺點是成本高、難以實現(xiàn)均勻焊接、能量消耗大和引起操作者不適。（3）熱板焊接接頭設計D為焊縫高度（3）熱板焊接接頭設計（3）熱板焊接接頭設計（4）熱板焊接的設備熱板焊接機有立式和臥式兩種5.其他焊接方法前面我們介紹了熱氣焊接、超聲波焊接、振動焊接、熱板焊接等焊接方法，除此以外。還有激光焊接、電磁焊接、旋轉焊接方法。激光焊接是一種新的焊接方法，有許多優(yōu)點（可列出25條），但成本較高，僅在其他焊接方法不適用的情況才采用。5.其他焊接方法電磁焊接利用了磁性材料在高頻交替電場的作用下生熱的原理進行焊接，具有生產率和接頭強度高等許多有優(yōu)點。旋轉焊接是利用了旋轉摩擦生熱的原理進行焊接，一個零件裝夾靜止，另一個則靠緊它并旋轉。具有易組裝、不需附加材料等優(yōu)點。但形狀具有局限性。5.3.4膠黏劑和溶劑連接膠黏和溶劑連接有一系列的相似之處，故放在一起討論。膠黏劑是粘到塑料表面完成連接，而溶劑是溶解塑料使表面間材料混合，當溶劑揮發(fā)后形成接頭。膠黏劑和溶劑連接廣泛用于塑料件的裝配中。溶劑連接時已有技術中最廉價的技術之一。隨著技術發(fā)展而產生新的材料結合方法，膠黏劑的應用也得到發(fā)展。在許多場合只有它們才能代替緊固件的作用。每種方法都有優(yōu)缺點，先介紹優(yōu)點。1.優(yōu)點（1）應力分布均勻（2）連接不同的材料是指膠黏劑（3）具有最大抗疲勞強度（4）連接性和密封性（5）減輕重量（6）表面光滑無瑕疵（7）總成本低1.優(yōu)點（1）回收困難（2）連接強度不確定性（3）限制裝配速度（4）需要特殊處理（5）有污染（6）溶劑敏感性2.缺點膠黏劑的種類很多，商業(yè)裝配制品有許多膠黏劑配方，一種膠黏劑能很快粘接，但最終的強度較低，另一種是最終強度高，但需要長時間才能黏接而不能進行下一步的操作，兩種膠黏劑結合可發(fā)揮各自優(yōu)勢。3.膠黏劑（1）丙烯酸樹脂是一種結構性膠黏劑，它能夠耐低溫，并且能夠耐300~500oF的高溫，具有較好的耐化學性和優(yōu)異的防潮性能。它能使塑料間很好地粘接，也能使塑料和金屬間極好地連接，比環(huán)氧樹脂更有效。強度在1000~3000psi之間。psi：磅/平方英寸3.膠黏劑（1）丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂具有中等黏度，并且通過催化作用，在常溫下就可以實現(xiàn)雙組分聚合或單一組分通過加熱或紫外線光固化。典型應用：坩堝、電路板3.膠黏劑（2）厭氧膠黏劑厭氧膠黏劑只有在缺氧的情況下才有不同尋常的固化性質。厭氧膠黏劑具有很好的密封性能和耐環(huán)境性能。但總的來說，粘接金屬的能力一般，粘接塑料的能力很差，并且不能粘接聚烯烴或天然纖維素。厭氧膠黏劑黏度低，固化時間和操作范圍中等。通常從瓶子里一次滴出一滴使用，有毒。3.膠黏劑（2）厭氧膠黏劑典型應用：固定緊固件以防止振動和松動。3.膠黏劑（3）氰基丙烯酸鹽膠黏劑也稱CAs，是一種單一組分膠黏劑，它因有瞬間黏合和小的操作窗口而著稱。其強度為1000~2000psi之間，能夠耐150~250oF的高溫。CAs能很好地粘接金屬件和聚烯烴類零件，并且與其它大部分塑料粘接性能也非常好。缺點是耐化學性和低溫性一般，不能充滿縫隙，耐沖擊和防潮性較差，價格昂貴。典型應用：汽車墊圈、收音機按鈕。3.膠黏劑（4）環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是既韌又硬的結構膠黏劑。具有韌性的同時，粘接強度最高能達到2000~6000psi。環(huán)氧樹脂型膠黏劑應用范圍很廣。它能適應350oF的高溫并且耐化學性和防潮性能良好甚至到優(yōu)異，密封性能好。柔軟性和耐低溫型一般。環(huán)氧樹脂型膠黏劑粘接金屬和木材最好，塑料次之，聚烯烴類塑料最差。3.膠黏劑（4）環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂的固化時間很慢，使得很難實現(xiàn)自動操作?？梢酝ㄟ^各種方法加快固化。環(huán)氧樹脂型膠黏劑價格遠低于CAs。典型應用：汽車工業(yè)、航空工業(yè)、電子元件。3.膠黏劑（5）熱熔體熱熔體基本就是熱塑性塑料，一般為聚丙烯、EVA、聚酯或聚酰胺。聚丙烯能很好粘接聚烯烴類塑料，性能中等，耐溫性達170oF。EVA由較低的操作溫度，耐溫性在120oF范圍內。聚丙烯和EVA價格便宜。聚酯具有從中到高的操作溫度，耐溫達200oF。聚酰胺耐溫高達300oF。3.膠黏劑（5）熱熔體熱熔體膠黏劑是將其加熱到熔融狀態(tài)，涂到基體上，冷卻后就形成了連接。它們經常用來連接塑料、木材等不同材料。因為黏度和溫度的限制，熱熔體的強度在100~500psi范圍內。另外，粘接塑料和金屬時，這些膠黏劑在接頭處產生殘余應力，將會影響接頭強度和壽命。粘接木材比塑料和金屬強度更高。3.膠黏劑（5）熱熔體典型應用：服飾珠寶、行李箱、玩具、地毯、泡沫墊子、展品。3.膠黏劑（6）酚醛酚醛是結構性膠黏劑，強度在2000~3500psi范圍內，可耐100~300oF的高溫。耐化學性良好，防潮性能從良好到極好。酚醛可以以液體和粉末的形式使用，可以用流體手槍、手持噴槍、計量混煉爐、放射固化裝置來分散涂抹，可通過加熱或催化劑來固化。3.膠黏劑（7）聚氨酯聚氨酯是密封性的結構膠黏劑，其強度在1000~2500psi范圍內。優(yōu)點是：剪切和剝離強度高；耐高低溫（達250oF）和縫隙填充性、韌性和持久性好；價格相對便宜。不足是：耐潮濕和化學性一般；黏度中等；固化時間有長有短。聚氨酯可以以液體和糨糊的形式使用，可以用流動噴槍和計量混合加熱噴槍來分散涂抹。3.膠黏劑（7）聚氨酯聚氨酯粘接大部分塑料和木材性能良好，粘接聚烯烴次之，一般不粘接金屬件。典型應用：用來粘接聚碳酸酯、尼龍、ABS、FRP等塑料。3.膠黏劑（8）其他膠黏劑其他的膠黏劑還有多硫化物（密封性好）、亞敏膠黏劑、聚硅氧烷（耐高低溫，-100oF~600oF）、溶劑基膠黏劑（防潮性、柔韌性、耐高低溫性能好，但有毒）、水基膠黏劑（溶劑基膠黏劑的替代）等等。3.膠黏劑溶劑通過分離塑料的聚合鏈和使表面軟化來發(fā)揮作用，那么相互擠壓使它們的聚合鏈混合并保持其位置直到溶劑揮發(fā)完為止。在室溫下，只有無定形的熱塑性塑料被溶劑焊接。但熱固性塑料不能被溶劑焊接，而結晶性熱塑性塑料只有在高溫下才能被溶劑焊接。4.溶劑熔劑的配方經常包含多種溶劑，大多數(shù)樹脂有幾種熔劑可供選擇。溶劑以不同的速率揮發(fā)。低沸點的比高沸點的揮發(fā)快，但太快會使表面溫度降低而在接頭處形成冷凝物，增加10%~20%的慢干溶劑可延遲低沸點溶劑（如丙酮）的揮發(fā)以阻止蒸汽的蒸發(fā)。這種溶劑稱為“阻滯劑”。4.溶劑不同類型的塑料通過相同溶劑的乳化而能粘接起來。但如果零件不能自由膨脹，就需要考慮它們不同的膨脹系數(shù)，這對于溶劑比膠黏劑更為重要。這是由于膠黏劑有韌性，可以應付不同熱膨脹系數(shù)的材料，而溶劑粘接就可能需要制作包含這兩種被粘接的混合溶劑。4.溶劑溶劑與塑料的組合塑料溶劑丙酮環(huán)乙酮二甲基甲酰胺二噁烷乙酸乙酯二氯化乙烯ABS●丙烯酸●聚碳酸酯●聚苯乙烯●●●聚砜●●聚芳醚●●聚氯乙烯●●采用膠黏劑還是溶劑最基本的理由受下面一些因素的影響。例如，連接不同種類塑料的要求是基本因素，膠黏劑或溶劑的選擇將局限于能夠連接兩種樹脂的范圍內；如果產量需求是決定性因素之一，那就選擇適合各種批量生產的工藝。然后將這些轉化到工藝程序中，如