異種尼龍材料振動焊接中焊接參數(shù)對焊接接頭的結(jié)構(gòu)和機械性能的影響

1、異種尼龍材料振動焊接中焊接參數(shù)對焊接 接頭的結(jié)構(gòu)和機械性能的影響摘要：因為尼龍材料有著優(yōu)異的機械性能，所以尼龍作為一種很受歡迎的材料應(yīng)用在很多的工 程應(yīng)用中。振動焊接是用來連接各種熱塑性塑料的焊接方法，幾乎15%的熱塑性材料的焊縫都是采用振動焊接的方法完成的。振動焊接在焊接不同的聚合物上與其它焊接方法相比有著成本 優(yōu)勢，并且能在降低重量的同時生產(chǎn)出較高質(zhì)量的焊縫。這項技術(shù)使得可以利用振動焊接的方 法將尼龍66（ PA66）和30%玻璃纖維的尼龍 66 （增強尼龍）與異種材料進行焊接形成接頭。 本研究的目的是確定焊接參數(shù)對振動焊接接頭的影響。質(zhì)量評估報告在拉伸試驗和顯微鏡檢查 的基礎(chǔ)上，使用光學

2、顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM ）進行檢查。拉伸試驗的結(jié)果表明，在適當?shù)暮附訔l件下，這可以得到質(zhì)量較好的焊縫。光顯微鏡檢查顯示，焊接參數(shù)影響玻璃纖維在焊接區(qū)的取向，從而影響材料在焊縫的連續(xù)性，焊縫的厚度。電鏡掃 描的結(jié)果表明，振動焊接接頭是由兩個被焊尼龍材料相互熔合產(chǎn)生的。1導(dǎo)論：線性振動焊接是利用摩擦的方法來焊接的，在焊接熱塑性塑料時有很多優(yōu)勢，比如說 焊接周期短，相對簡單的設(shè)備，不需要向焊接區(qū)域添加額外的材料，焊前不需要進行表面處理，同種材料異種材料都可以焊接（塑料、黑色金屬、有色金屬甚至是木頭）。焊接過程是在壓力作用下將兩部分夾緊，并以一定幅度（通常在0.5 2.5mm之內(nèi)），頻率（10

3、0或240Hz）振動，在焊接區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱1。該過程可以被分為四個不同的階段：一、固體摩擦加熱，二、非穩(wěn) 態(tài)熔體摩擦，三、穩(wěn)態(tài)熔化摩擦，四、凝固階段。焊接過程中熔化深度隨時間的變化如圖1所示，在第一階段在接口處的初始加熱（至熔化溫度）是由庫侖摩擦力實現(xiàn)的2。在此階段焊接元件之間沒有滲透。第二階段啟動時的界面材料開始熔化并在橫向方向上向外流動。21I 10（2D一 EE 皿 3pa_o,ul0.8 pi i pn ；pm0.4 _10 1prv一 爐 ura:lajuald9 B 4 2 OWeld lime, I sj圖一在此階段開始時，熔融體的厚度層最初是非常小的，剪切速率是很高的，并且材料

4、外流也 非常小，隨著該過程的進行，熔融材料的厚度增加，由于剪切速率的減小，材料外流增多3。當固體的熔化速率等于熔融材料向外流動的速率的時候，到達第三階段。在這個階段，熔化深 度隨時間變化線性增加，融化速度較為穩(wěn)定4。在第四階段停止振動，在恒定的壓力下，熔融材料仍然會從焊接區(qū)域流出來，直到它冷卻下來為止1 4。在焊接界面的材料完全凝固時焊接結(jié)束，形成焊縫。有很多研究中心5 8研究焊接參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響，焊接壓力、熔化深度、振幅和焊 接時間對焊接接頭強度的影響，這些研究涉及到由尼龍66、尼龍6及其添加了 30%玻璃纖維的復(fù)合材料形成的焊縫?；谶@些研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)焊接接頭強度的最大值主要取決于焊接

5、壓力， 其次取決于熔化深度。文獻5的研究結(jié)果顯示了加入 30%玻璃纖維的尼龍 6和加入30%玻璃纖維的尼龍66的焊接接頭的拉伸強度。在0.8MPa焊接壓力下生產(chǎn)的焊接接頭要比在4.0MPa焊接壓力下生產(chǎn)的焊接接頭強度大。在半結(jié)晶聚丙烯焊接的另一項調(diào)查5,7,9-11發(fā)現(xiàn)接頭的力學特性可能與焊接的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在偏光鏡的檢查下作者發(fā)現(xiàn)在焊接區(qū)域中分成四個區(qū)域。在最接 近熔合線的區(qū)域中，經(jīng)歷了一個快速冷卻的過程，在這個區(qū)域中沒有任何可見的球晶結(jié)構(gòu)。這 種表現(xiàn)出來的非晶體形態(tài)可能是因為熱傳導(dǎo)導(dǎo)致冷卻速度過快而引起的12。從熔合線數(shù)起的第三個區(qū)域是正火區(qū)，第四個區(qū)域是部分相變區(qū)。由于冷卻速度較快，所以這些

6、球狀晶體非常 小，最后一個區(qū)域為再結(jié)晶區(qū)，這個區(qū)域的球狀晶體要比穿晶區(qū)的要大。研究表明，焊接壓力 可能會對焊縫的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如果焊接壓力過高，可能就不存在再結(jié)晶區(qū)7,10，研究還表明，這種焊縫特征會導(dǎo)致焊接接頭的強度下降。也有一些對玻璃纖維強化的尼龍材料的焊接性能的 研究5,10，這些研究結(jié)果表明，玻璃纖維在焊縫中的走向影響焊縫的強度。在焊接過程中，如 果焊接壓力過大，則焊縫區(qū)會變窄，玻璃纖維的方向會平行于熔融材料流動的方向。但是如果 焊接壓力較低的話，相較于玻璃纖維的長度來說，熔融區(qū)的厚度就會較大，這就會造成玻璃纖 維會在出熔融材料流動方向以外的其他方向移動。在這種情況下，玻璃纖維可能會垂

7、直于熔融 材料流動的方向，一些玻璃纖維可能還會越過熔合線，這可以提高焊接接頭的強度。振動焊接 技術(shù)可以實現(xiàn)異種材料焊接，如果兩種材料的熔融溫度相差不超過40C10，焊接效果最好。在焊接異種材料時，如果其中一種是由玻璃纖維強化的，那么玻璃纖維在焊縫中的走向?qū)⒂绊?焊接接頭的質(zhì)量5。值得注意的是：如果玻璃纖維穿過融合線，接頭的強度會更高7。對于尼龍6和尼龍66的異種焊接的研究表明焊接參數(shù)、焊接壓力和熔化深度會影響焊接接頭的質(zhì)量 8,13。在焊接壓力為0.66 5.8MPa，熔化深度為0.3 1.7mm的范圍內(nèi)進行實驗， 研究發(fā)現(xiàn)， 在較低的焊接壓力 0.66MPa下，接頭的抗拉強度會更好。這些接頭

8、的強度是尼龍 6拉伸強度的80%，是尼龍66拉伸強度的70%。如果在4.7MPa的焊接壓力下焊接，接頭的拉伸強度是尼 龍6的44%，是尼龍66的39%。由于焊接材料的熔點不同，為了確定這兩種材料是否都達到 了熔點，所以將被使用不同的差示掃描量熱法（DSC ）。實驗表明，在0.66MPa的焊接壓力下，兩種尼龍材料都達到熔點時，焊接接頭的強度最大。當然，熔化深度也是非常重要的。當把熔 化深度固定在1.0mm，焊接壓力在0.66MPa 4.7MPa范圍內(nèi)變化，實驗表明隨著焊接壓力的 降低，熔化區(qū)的厚度增大，這些接頭的拉伸強度也越大。由于焊接壓力較低，為了達到規(guī)定的 熔化深度，得到較厚的焊接熱影響區(qū)，

9、所以焊接時間較長8。在Instytut SpawaInictwa進行的實驗發(fā)現(xiàn)不同牌號的尼龍材料（尼龍 66和加30%玻璃纖維 強化的尼龍66）形成的接頭強度取決于母材的強度，玻璃纖維不能顯著的增強接頭的強度。兩 種尼龍材料形成的接頭強度和質(zhì)量取決于焊接參數(shù)。2、焊接夾具和材料振動焊接是在 Gliwice的Instytut Spawalnictwa線性振動焊機上進行的。這種機器的振動頭 被安裝在下夾具下。振動的頻率是240Hz，該機還配備了由Instytut Spawalnictwa開發(fā)的專門的測量設(shè)備VibRecord。此設(shè)備允許監(jiān)視和記錄以下焊接參數(shù)：在樣品對接焊接過程中的振動幅度、熔化深

10、度、焊接壓力。焊接設(shè)備如圖二所示，樣品形狀如圖三所示。f3A6&圖三圖尼龍屬于半結(jié)晶的熱塑性材料，由于尼龍型號的多樣和他們較為優(yōu)異的整體性能，尼龍成 為許多工程應(yīng)用中很受歡迎的材料。尼龍66( PA66)及其復(fù)合材料，30%玻纖增強尼龍66 (增強尼龍)，是高性能熱塑性塑料，具有優(yōu)越的功能，包括耐蠕變，抗疲勞，反復(fù)沖擊等14。在這項研究中所用的材料是TECAMID66 ( PA66)和TECAMID66GF30 (增強尼龍)14。所使用的尼龍的性能在表1中給出。樣品從板上切割而來，厚度為10mm。兩種尼龍樣品的尺寸為10.0*15.0*56.0mm。對接樣品被固定在夾具上，10.0*15.0m

11、m的面成為焊縫區(qū)。振動方向平行于長度為15mm的邊，為了將兩個熱塑性材料用振動焊接的方法連接到一起，要將兩塊材料在一定的焊接壓力下夾緊在一 起。尼龍66材料被固定在上夾具上，由33%的玻璃纖維加強的尼龍66固定在安裝有振動頭的下夾具上。將下夾具向上移動以便在接口處形成摩擦熱。在異種尼龍焊接時，可以使用下列焊 接參數(shù)：振動幅度1.0mm，焊接時間4.5, 6.5，8.5s振動幅度 1.3mm 1.6mm，焊接時間 2.5, 4.5, 6.5s焊接壓力 2.66,7.39MPa在本研究中的焊接參數(shù)，是在自己經(jīng)驗的基礎(chǔ)上經(jīng)過研究選擇出來的。接頭的質(zhì)量是進行 拉伸試驗并在光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡下檢

12、查判斷的。本研究中在不同的焊接條件下形成 的焊縫有著不同的機械性能、顯微組織、焊透性。MgType of 忡聞QflentityTferisile strength at bresikat bre ak %)CrystaUirkg：paint CMax. fretvice LitipMEraturc CShott1PA 6&11470.055.025S1001702PA 6 GF30X1.35L52260110l?0 TeEisile lest speed 20 EnrrhiTnin.表一3、結(jié)果與分析3.1拉伸試驗焊接試樣在拉伸機INSTRON 4210上進行。由未加強的尼龍66和加30%玻

13、璃纖維加強的尼龍66組成的不同材料在不同的焊接參數(shù)下形成的焊接接頭的拉伸試驗的結(jié)果如圖4和圖6,焊接條件見表2和表3。拉伸試驗的結(jié)果表明，在較低的焊接壓力（2.66MPa）下生產(chǎn)的焊接接頭的拉伸強度比在較高的焊接壓力（7.39MPa）下生產(chǎn)的焊接接頭的拉伸強度要高。在振幅分別為1.0mm和1.3mm，焊接壓力為2.66MPa時，焊接時間分別應(yīng)該超過4.5s和6.5s。這種異種材料形成的接頭的強度是加強尼龍66強度的60%，是未加強尼龍66強度的75%。在這樣的焊接條件下，使得焊接 材料有足夠的時間達到熔點，而且在此壓力下（2.66MPa ）熔融材料不會過度的被擠出接頭處，這樣焊接區(qū)域會較寬，焊

14、接材料也能充分的融合到一起。當焊接壓力較大時（7.39MPa），需要較小的振幅（1.0mm），焊接時間也應(yīng)該不超過6.5s。較高的焊接壓力使得接頭處的材料融化得更快，但是融化的材料會被擠出到接頭的外側(cè)，焊接區(qū)域會較窄，與較低焊接壓力下的接頭強 度相比強度較低。Eble 2 - RMulta cfXM cf joints wldd with themid preaui UPa.Na. Welding parametersToisileStandardstrength dcviation a at breakMPa|AmplitudeWdda mm|time c |s|11.04.520.504.

15、142恥52.1439.0S3J02.6441.32.514.646.1154.549.723.446氐556904朋71.62.545 .a?S.S9&4占50.792.489首舌44.671.B9表二3.2顯微鏡檢查使用光學顯微鏡(MeF4M LEICA )和電子掃描顯微鏡(Philips M525 )完成顯微鏡檢查。用光學顯微鏡觀察焊接區(qū)域，以觀察玻璃纖維在焊接區(qū)域的走向和焊縫的厚度。所選的焊縫的 光學顯微鏡的檢查結(jié)果如圖7。在光學顯微鏡下觀察焊接壓力、振動幅度、焊接時間對接頭的寬度和結(jié)構(gòu)的影響。在焊接時間和振動幅度相同的情況下，分別用不同的焊接壓力(2.66MPa和7.39MPa )焊

16、接，可以發(fā)現(xiàn)在較低的焊接壓力下(2.66MPa )的接頭厚度較大。當焊接壓力和振動幅度一定時，可以發(fā)現(xiàn)焊接時間越長，接頭厚度越大。例如：當振動幅度為1.0mm，焊接壓力為2.66MPa，焊接時間為4.5s時，接頭厚度為 0.11mm，而當焊接時間變?yōu)?8.5s時， 接頭厚度為0.16mm。拉伸試驗得到的結(jié)果顯示，焊接壓力越低，焊縫的拉伸強度越高。ibbte 3 - Raut cf temile test cf joints wrided with the wtid preanm 739 MPNa. Welding parametersTensileStandarddevia tion 廿str

17、ength at break MPa|Amplitud 皀Wdda mm|time t |s|101.04.536.631.57116.538.243.89129.0J3.096.18132.534.143.77144占29.22170IS&530.413.8b11甫2.530.422.00174占32.06ice186.530.372.90表三5370o0_6 511433034 3S.&3Doo Q Q &5 4 3f 20.50【Edx- E 工 me 匚 ansrcsumloQ1-o6OL* * 1H0 rn(Ti( p*2.7MPa.Omm, pv7.4 MPs-1VVV1VV134

18、5676910Weld timet, s圖四（振動幅度為1.0mm時，拉伸強度與焊接時間和焊接壓力的關(guān)系）50.o-cf30.j 34,1429.2220.-1J 49.72,3 rnmlp2.6MPa a ft-1 Jrftm, pvw 739 MP*Weld time I 5圖五（振動幅度為1.3mm時，拉伸強度與焊接時間和焊接壓力的關(guān)系）5Q密 44.730.20.6mn( 7.39 MPa00iI2345C789Weld timet s圖六（振動幅度為1.6mm時，拉伸強度與焊接時間和焊接壓力的關(guān)系）基于顯微鏡觀察的結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)在增強尼龍中，玻璃纖維集中在焊縫區(qū)附近。研究顯示玻璃 纖

19、維的走向平行于塑料擠壓的方向。為了評定兩種尼龍材料在焊縫區(qū)的混合的程度和玻璃纖維的走向，對拉伸試樣的斷面進行了掃描電鏡的觀察。但是在Instytut Spawalnictwa的其他研究人員經(jīng)過掃描電鏡檢查的結(jié)果卻不相同5,7,10。作者聲稱，如果玻璃纖維垂直于熔合面或者穿過熔合線，接頭的強度會更高。 我們的研究結(jié)果表明，異種材料焊接形成的接頭的強度主要取決于母材的強度。這些結(jié)果顯示 為斷裂圖的明亮區(qū)域，如圖八圖九。焊接過程中物料的加入，圖中明亮部分顯示的是在拉伸試驗中被拉長了的玻璃纖維。在這個斷裂圖中，可以看見一些垂直于焊接表面的單個的玻璃纖維（箭頭所示）。這些結(jié)果表明，斷裂中出現(xiàn)故障的地方是

20、與這樣的玻璃纖維的走向緊密相關(guān)的。如果裂紋發(fā)生在玻璃纖維集中在 經(jīng)30%玻纖強化的尼龍 66 一側(cè) 那么將會看到玻纖的走向不統(tǒng)一。（也有一部分垂直于焊接表面）1.0站a圖七（不同類型尼龍制成的接頭試圖壓力 2.66MPa）圖八，a圖為加入了 30%玻璃纖維的加強尼龍 66材料，b圖為未加玻纖的尼龍 66材料。焊接參 數(shù)：振動幅度1.0mm,焊接時間4.5s,焊接壓力2.66MPa明亮部分為加入的玻璃纖維。h :焊縫寬度，振幅1.0mm。焊接時間8.5s，焊接7!如果接頭的故障發(fā)生在焊縫的中間部位或是尼龍66一側(cè)，那么將只能看到很少的玻璃纖維或者看不到玻璃纖維。4、結(jié)論研究的結(jié)果表明，振動摩擦焊

21、適用于一種材料的熱塑性塑料焊接，焊接參數(shù)會影響焊接接 頭的強度。相比較之前的研究，研究發(fā)現(xiàn)接縫的強度不取決于玻璃纖維是否垂直于焊縫，而是 主要取決于母材尼龍材料的強度。顯微鏡檢查的結(jié)果顯示，焊縫中的玻璃纖維有一種靠近但是 卻不穿過增強尼龍一側(cè)的傾向。焊接參數(shù)影響焊縫的寬度。在焊接壓力恒定的情況下，振動幅 度越大，焊接時間越長，焊縫的寬度越寬。通過掃描電鏡的檢查發(fā)現(xiàn)，接頭的強度取決于焊接 材料而不是玻璃纖維是否垂直于焊縫。在Instytut Spawalnictwa進行的焊接接頭的拉伸強度的實驗的結(jié)果跟其他科學家的研究結(jié)果相似。拉伸實驗的結(jié)果顯示在焊接壓力2。66MPa,振動幅度1.0mm和1.

22、3mm下焊接生產(chǎn)的焊接接頭的強度相當于母材強度的60% 75%。在這種焊接條件下，焊接時間分別應(yīng)該為6.5s和4.5s。b圖九，a圖為加入了 30%玻璃纖維的加強尼龍 66材料，b圖為未加玻纖的尼龍 66材料。焊接參 數(shù)：振動幅度1.0mm,焊接時間4.5s，焊接壓力7.39MPa，明亮部分為加入的玻璃纖維1 V.K. Stokes, Weldi ng of thermoplastics. Part I: Phe nomenol- ogy of thewelding process, Polymer Engineering and Scienee 28 (11) (1988) 718- 727

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