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塑料焊接用于医疗技术行业

来源:EWI指南 发布时间:2020-07-28 463
化工塑料橡胶原料及混合物添加剂及母粒医疗与医药医疗设备合约制造服务医疗电子组件制造设备材料包装及消毒其他测试、计量、检验和校准设备及用品研发与设计服务
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塑料连接是一个具有挑战性的问题,特别是对于医疗行业,很难找到满足生物相容性要求和FDA批准的粘合剂。塑料焊接是一种更为经济有效的方案,能够提供一致性好、高强度的焊接,且不需要额外的耗材。

塑料连接是一个具有挑战性的问题!

 

特别是对于医疗行业,很难找到满足生物相容性要求和FDA批准的粘合剂。此外,许多常用的聚合物,例如PPPEPTFE,其表面能低 (Low surface energy),也导致难以用粘合剂粘接。

 

粘合剂通常被用作原型制造中的快速、临时的解决方案。然而在后续量产时,塑料焊接则是一种更为经济有效的方案,能够提供一致性好、高强度的焊接,且不需要额外的耗材。

 

塑料焊接的风险和挑战,往往是由于焊接工艺选择、焊缝设计和测试方法不当,以及零件变形和尺寸偏差造成的。通过采取一步一步的排除分析和改善措施,可以减少或者消除这些问题。

 

塑料焊接工艺的开发过程遵循以下步骤:

Step1:定义问题

Step2:选择工艺

Step3:接头设计

Step4:测试验证

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1.定义问题

在选择焊接工艺时,前期明确产品材料和性能要求,对工艺选择至关重要。通过早期定义这些,您可以避免后续损失。

 

在决定焊缝位置或焊接工艺之前,应思考并回答以下问题。


1.1 强度

载荷方向是什么?将会经历什么样的拉伸或剪切力?

 

如果可能的话,设计的焊缝应使其工作时尽量承受剪切力,因为塑料焊接在剪切力方向承受的载荷最大。塑料焊接可承受的拉伸载荷次之,可承受的剥离力最弱。如图1所示。


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图1 塑料焊接强度和载荷方向的关系

 

1.2 密封

这个产品需要密封吗?如果需要,要承受压强是多少?是气密还是水密?有测试温度要求吗?

 

对于有密封要求的产品,通常是在要密封的腔室一周设计有闭合的焊接线,以及相应的沟槽或者狭小的缝隙空间,熔化的塑料填充满槽或者缝隙,以实现密封要求。产品的尺寸大小和形状不同,选择的塑料焊接工艺也会不同。

 

1.3 外观

有什么外观要求吗?“A”面在哪里?允许溢料可见吗?

 

大多数焊接工艺都有可能产生外观缺陷。然而,这些问题可以通过改善治具和优化焊接参数、或者简化零件表面、或者隐藏焊接面的方式加以限制。如果无法避免,那么需要增加前一道工序(例如烘干)加以预防,或者增加后一道工序(例如去溢料)加以修正,不过这些措施会增加成本。

 

1.4 颗粒污染物

产品内是否允许有颗粒物或者松散的溢料?

 

对于依靠表面摩擦产生热量的焊接工艺,例如旋转焊接和振动摩擦焊接,很难避免不产生颗粒污染物,以及松散的溢料。

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1.5 材料

材料对焊接性能的影响因素,除了材料中的基础树脂特性,还包括各种添加剂,如着色剂、填充剂、冲击改性剂、润滑剂等。这些组成共同影响焊接工艺的选择。例如,采用激光焊接工艺时,要求上层零件无着色剂,以允许激光穿透传输;下层零件要求添加碳黑,以充分吸收激光能量。

 

一般情况下,应尽量减少填料含量,以确保有足够的树脂进行焊接,从而保证焊接强度。因此,建议填料含量控制在33%以下。

 

另外,两个零件必须是材料相容的,即具有相同或相似的熔点和粘度,以保证分子间发生扩散完成焊接。

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2. 选择工艺

常见的塑料焊接工艺对比如下表1


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表1 塑料焊接工艺对比

 

激光焊接(图2)要求在上下零件吸收少量的光能(2um焊接系统),或者在焊接处上层透射-下层吸收光能(1um焊接系统)。能量吸收效率,由所选择的波长,以及树脂与填料在该波长上的透射度决定。


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图2 激光焊接示意

 

超声波焊接(图3)通过因聚合物的粘弹特性而产生的机械振动能量损失,即产生热量来工作。产生超声波振动的模具叫做焊头。焊头与零件接触表面,必须平行于焊接筋,且距离较短(一般<6mm)。此外,在焊接区域及附近,应避免尖角和薄的悬臂结构,防止损坏。


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图3 超声波焊接示意


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表2 医疗行业常用塑料的可焊接性能

 

热板和红外焊接,分别加热两个部件的焊接表面,然后将两个部件合在一起,施加压力以促进分子扩散。在热板焊接(图4)中,零件表面与加热工具直接接触,因此适合具有较高粘度的塑料焊接,以避免材料粘在热板上。在红外焊接中,零件表面应避免白色,并添加填料以增加能量吸收效率,减小生产节拍。


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图4 热板焊接示意

 

旋转和振动摩擦焊接(图5)通过表面摩擦产生热量以实现焊接。这些运动过程中,接头设计必须适应摩擦运动/振动方向,对于旋转摩擦来说,这意味着焊线设计必须是圆形。对于振动摩擦来说,接头设计必须有足够的侧向间隙,以容纳一定的振动幅度。另外,十分重要的一点,焊筋下方支撑壁必须有足够刚性,在载荷作用下不变形,以实现摩擦生热。


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图5 旋转摩擦(左)和振动摩擦(右)示意

 

高频焊接(图6)的工作原理是将高介电损耗的聚合物暴露电磁场中,磁场方向高频交替变化(通常27MHz)。应用于10-50mm厚度的薄材料焊接。可用该工艺的材料非常有限。其中,聚氯乙烯(PVC)是最容易的。


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图6 高频焊接示意

 

3. 接头设计

在塑料焊接中,接头强度取决于聚合物链在熔体界面上的流动,并在接头处产生分子链纠缠的程度。为了实现这一点,一个合理的焊缝设计非常重要。它可以熔化和塌陷,产生熔体流动。此外,一个良好设计的焊缝,有助于提高加热速率,防止泄漏,隐藏溢料,并帮助上下零件对齐。常见的接头设计如图7


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图7 常见超声波接头设计

 

不同的焊接工艺,通过不同的方式产生热量,加热速率也不相同。好的接头设计实际上可以提高加热速率。例如,超声波焊接通过使用一个称为“三角导能筋”的接头来提高加热速率。旋转摩擦焊接,采用正压力更大的剪切焊缝设计,比采用斜搭焊缝设计的加热速率更快。

 

采用沟槽焊缝设计,有助于提高密封性能。这种类型的接头,熔体可以停留在沟槽内及侧壁间隙中,从而减少空隙,提高密封性能。然而,在某些情况下,空气可能被困在沟槽中,当被困的空气产生足够的压力在熔体中形成气孔时,会导致泄露。

 

焊接过程中,从接头处会挤出一定数量的熔料,可通过接头设计来控制。接头两侧增加挡边,隐藏溢料,甚至控制熔体流动方向,侧壁也有助于上下零件的对齐。

 

4. 试验验证

焊接结果的好坏,必须要有正确的测试方法和治具来进行评估。如果遵循一些简单的指导方针,焊接强度和气密性很容易测试。

 

4.1 强度测试

施加载荷的方向对测试结果至关重要。施加载荷的位置和方向应该和实际工作时载荷保持一致。

 

确保接头在零件本体破坏前失效。如果测试时,本体材料发生破坏,那么测试无法给出焊接强度的数据,测试方案应该重新设计。

 

测试整个接头,而不是截取部分进行强度测试。局部测试可能是不准确的,因为其忽视了潜在的一些较高应力的区域。在初始裂纹产生后,其余位置焊缝会在拉力测试中失效。如果只进行局部测试,将忽略这一种失效方式,错误的高估焊接强度。

 

如果整个接头难以固定进行拉力试验,那么考虑使用爆破压力测试。


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图8 拉力测试设备

 

4.2 密封性能测试

定义的测试压力和可接受的泄漏率,是与最终的使用环境和要求相关。常用空气衰减泄露测试仪,分气检和水检。水密检测可以设定不同的水温。

 

在泄漏测试时不要将人为加大治具压紧力。较大的压紧力导致焊缝接头压缩,将产生人为的低泄漏率。

 

对于医疗行业,焊接提供了比粘合剂更好的塑料连接解决方案。该指南有助于初步选择焊接工艺。


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