异种尼龙材料振动焊接中焊接参数对焊接接头的结构和机械性能的影响

1、异种尼龙材料振动焊接中焊接参数对焊接 接头的结构和机械性能的影响摘要：因为尼龙材料有着优异的机械性能，所以尼龙作为一种很受欢迎的材料应用在很多的工 程应用中。振动焊接是用来连接各种热塑性塑料的焊接方法，几乎15%的热塑性材料的焊缝都是采用振动焊接的方法完成的。振动焊接在焊接不同的聚合物上与其它焊接方法相比有着成本 优势，并且能在降低重量的同时生产出较高质量的焊缝。这项技术使得可以利用振动焊接的方 法将尼龙66（ PA66）和30%玻璃纤维的尼龙 66 （增强尼龙）与异种材料进行焊接形成接头。 本研究的目的是确定焊接参数对振动焊接接头的影响。质量评估报告在拉伸试验和显微镜检查 的基础上，使用光学

2、显微镜和扫描电子显微镜（SEM ）进行检查。拉伸试验的结果表明，在适当的焊接条件下，这可以得到质量较好的焊缝。光显微镜检查显示，焊接参数影响玻璃纤维在焊接区的取向，从而影响材料在焊缝的连续性，焊缝的厚度。电镜扫 描的结果表明，振动焊接接头是由两个被焊尼龙材料相互熔合产生的。1导论：线性振动焊接是利用摩擦的方法来焊接的，在焊接热塑性塑料时有很多优势，比如说 焊接周期短，相对简单的设备，不需要向焊接区域添加额外的材料，焊前不需要进行表面处理，同种材料异种材料都可以焊接（塑料、黑色金属、有色金属甚至是木头）。焊接过程是在压力作用下将两部分夹紧，并以一定幅度（通常在0.5 2.5mm之内），频率（10

3、0或240Hz）振动，在焊接区域产生摩擦热1。该过程可以被分为四个不同的阶段：一、固体摩擦加热，二、非稳 态熔体摩擦，三、稳态熔化摩擦，四、凝固阶段。焊接过程中熔化深度随时间的变化如图1所示，在第一阶段在接口处的初始加热（至熔化温度）是由库仑摩擦力实现的2。在此阶段焊接元件之间没有渗透。第二阶段启动时的界面材料开始熔化并在横向方向上向外流动。21I 10（2D一 EE 皿 3pa_o,ul0.8 pi i pn ；pm0.4 _10 1prv一 炉 ura:lajuald9 B 4 2 OWeld lime, I sj图一在此阶段开始时，熔融体的厚度层最初是非常小的，剪切速率是很高的，并且材料

4、外流也 非常小，随着该过程的进行，熔融材料的厚度增加，由于剪切速率的减小，材料外流增多3。当固体的熔化速率等于熔融材料向外流动的速率的时候，到达第三阶段。在这个阶段，熔化深 度随时间变化线性增加，融化速度较为稳定4。在第四阶段停止振动，在恒定的压力下，熔融材料仍然会从焊接区域流出来，直到它冷却下来为止1 4。在焊接界面的材料完全凝固时焊接结束，形成焊缝。有很多研究中心5 8研究焊接参数对焊缝质量的影响，焊接压力、熔化深度、振幅和焊 接时间对焊接接头强度的影响，这些研究涉及到由尼龙66、尼龙6及其添加了 30%玻璃纤维的复合材料形成的焊缝。基于这些研究结果，发现焊接接头强度的最大值主要取决于焊接

5、压力， 其次取决于熔化深度。文献5的研究结果显示了加入 30%玻璃纤维的尼龙 6和加入30%玻璃纤维的尼龙66的焊接接头的拉伸强度。在0.8MPa焊接压力下生产的焊接接头要比在4.0MPa焊接压力下生产的焊接接头强度大。在半结晶聚丙烯焊接的另一项调查5,7,9-11发现接头的力学特性可能与焊接的结构有关。在偏光镜的检查下作者发现在焊接区域中分成四个区域。在最接 近熔合线的区域中，经历了一个快速冷却的过程，在这个区域中没有任何可见的球晶结构。这 种表现出来的非晶体形态可能是因为热传导导致冷却速度过快而引起的12。从熔合线数起的第三个区域是正火区，第四个区域是部分相变区。由于冷却速度较快，所以这些

6、球状晶体非常 小，最后一个区域为再结晶区，这个区域的球状晶体要比穿晶区的要大。研究表明，焊接压力 可能会对焊缝的结构产生影响，如果焊接压力过高，可能就不存在再结晶区7,10，研究还表明，这种焊缝特征会导致焊接接头的强度下降。也有一些对玻璃纤维强化的尼龙材料的焊接性能的 研究5,10，这些研究结果表明，玻璃纤维在焊缝中的走向影响焊缝的强度。在焊接过程中，如 果焊接压力过大，则焊缝区会变窄，玻璃纤维的方向会平行于熔融材料流动的方向。但是如果 焊接压力较低的话，相较于玻璃纤维的长度来说，熔融区的厚度就会较大，这就会造成玻璃纤 维会在出熔融材料流动方向以外的其他方向移动。在这种情况下，玻璃纤维可能会垂

7、直于熔融 材料流动的方向，一些玻璃纤维可能还会越过熔合线，这可以提高焊接接头的强度。振动焊接 技术可以实现异种材料焊接，如果两种材料的熔融温度相差不超过40C10，焊接效果最好。在焊接异种材料时，如果其中一种是由玻璃纤维强化的，那么玻璃纤维在焊缝中的走向将影响 焊接接头的质量5。值得注意的是：如果玻璃纤维穿过融合线，接头的强度会更高7。对于尼龙6和尼龙66的异种焊接的研究表明焊接参数、焊接压力和熔化深度会影响焊接接头的质量 8,13。在焊接压力为0.66 5.8MPa，熔化深度为0.3 1.7mm的范围内进行实验， 研究发现， 在较低的焊接压力 0.66MPa下，接头的抗拉强度会更好。这些接头

8、的强度是尼龙 6拉伸强度的80%，是尼龙66拉伸强度的70%。如果在4.7MPa的焊接压力下焊接，接头的拉伸强度是尼 龙6的44%，是尼龙66的39%。由于焊接材料的熔点不同，为了确定这两种材料是否都达到 了熔点，所以将被使用不同的差示扫描量热法（DSC ）。实验表明，在0.66MPa的焊接压力下，两种尼龙材料都达到熔点时，焊接接头的强度最大。当然，熔化深度也是非常重要的。当把熔 化深度固定在1.0mm，焊接压力在0.66MPa 4.7MPa范围内变化，实验表明随着焊接压力的 降低，熔化区的厚度增大，这些接头的拉伸强度也越大。由于焊接压力较低，为了达到规定的 熔化深度，得到较厚的焊接热影响区，

9、所以焊接时间较长8。在Instytut SpawaInictwa进行的实验发现不同牌号的尼龙材料（尼龙 66和加30%玻璃纤维 强化的尼龙66）形成的接头强度取决于母材的强度，玻璃纤维不能显著的增强接头的强度。两 种尼龙材料形成的接头强度和质量取决于焊接参数。2、焊接夹具和材料振动焊接是在 Gliwice的Instytut Spawalnictwa线性振动焊机上进行的。这种机器的振动头 被安装在下夹具下。振动的频率是240Hz，该机还配备了由Instytut Spawalnictwa开发的专门的测量设备VibRecord。此设备允许监视和记录以下焊接参数：在样品对接焊接过程中的振动幅度、熔化深

10、度、焊接压力。焊接设备如图二所示，样品形状如图三所示。f3A6&图三图尼龙属于半结晶的热塑性材料，由于尼龙型号的多样和他们较为优异的整体性能，尼龙成 为许多工程应用中很受欢迎的材料。尼龙66( PA66)及其复合材料，30%玻纤增强尼龙66 (增强尼龙)，是高性能热塑性塑料，具有优越的功能，包括耐蠕变，抗疲劳，反复冲击等14。在这项研究中所用的材料是TECAMID66 ( PA66)和TECAMID66GF30 (增强尼龙)14。所使用的尼龙的性能在表1中给出。样品从板上切割而来，厚度为10mm。两种尼龙样品的尺寸为10.0*15.0*56.0mm。对接样品被固定在夹具上，10.0*15.0m

11、m的面成为焊缝区。振动方向平行于长度为15mm的边，为了将两个热塑性材料用振动焊接的方法连接到一起，要将两块材料在一定的焊接压力下夹紧在一 起。尼龙66材料被固定在上夹具上，由33%的玻璃纤维加强的尼龙66固定在安装有振动头的下夹具上。将下夹具向上移动以便在接口处形成摩擦热。在异种尼龙焊接时，可以使用下列焊 接参数：振动幅度1.0mm，焊接时间4.5, 6.5，8.5s振动幅度 1.3mm 1.6mm，焊接时间 2.5, 4.5, 6.5s焊接压力 2.66,7.39MPa在本研究中的焊接参数，是在自己经验的基础上经过研究选择出来的。接头的质量是进行 拉伸试验并在光学显微镜和电子扫描显微镜下检

12、查判断的。本研究中在不同的焊接条件下形成 的焊缝有着不同的机械性能、显微组织、焊透性。MgType of 忡闻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、结果与分析3.1拉伸试验焊接试样在拉伸机INSTRON 4210上进行。由未加强的尼龙66和加30%玻

13、璃纤维加强的尼龙66组成的不同材料在不同的焊接参数下形成的焊接接头的拉伸试验的结果如图4和图6,焊接条件见表2和表3。拉伸试验的结果表明，在较低的焊接压力（2.66MPa）下生产的焊接接头的拉伸强度比在较高的焊接压力（7.39MPa）下生产的焊接接头的拉伸强度要高。在振幅分别为1.0mm和1.3mm，焊接压力为2.66MPa时，焊接时间分别应该超过4.5s和6.5s。这种异种材料形成的接头的强度是加强尼龙66强度的60%，是未加强尼龙66强度的75%。在这样的焊接条件下，使得焊接 材料有足够的时间达到熔点，而且在此压力下（2.66MPa ）熔融材料不会过度的被挤出接头处，这样焊接区域会较宽，焊

14、接材料也能充分的融合到一起。当焊接压力较大时（7.39MPa），需要较小的振幅（1.0mm），焊接时间也应该不超过6.5s。较高的焊接压力使得接头处的材料融化得更快，但是融化的材料会被挤出到接头的外侧，焊接区域会较窄，与较低焊接压力下的接头强 度相比强度较低。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显微镜检查使用光学显微镜(MeF4M LEICA )和电子扫描显微镜(Philips M525 )完成显微镜检查。用光学显微镜观察焊接区域，以观察玻璃纤维在焊接区域的走向和焊缝的厚度。所选的焊缝的 光学显微镜的检查结果如图7。在光学显微镜下观察焊接压力、振动幅度、焊接时间对接头的宽度和结构的影响。在焊接时间和振动幅度相同的情况下，分别用不同的焊接压力(2.66MPa和7.39MPa )焊

16、接，可以发现在较低的焊接压力下(2.66MPa )的接头厚度较大。当焊接压力和振动幅度一定时，可以发现焊接时间越长，接头厚度越大。例如：当振动幅度为1.0mm，焊接压力为2.66MPa，焊接时间为4.5s时，接头厚度为 0.11mm，而当焊接时间变为 8.5s时， 接头厚度为0.16mm。拉伸试验得到的结果显示，焊接压力越低，焊缝的拉伸强度越高。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图四（振动幅度为1.0mm时，拉伸强度与焊接时间和焊接压力的关系）50.o-cf30.j 34,1429.2220.-1J 49.72,3 rnmlp2.6MPa a ft-1 Jrftm, pvw 739 MP*Weld time I 5图五（振动幅度为1.3mm时，拉伸强度与焊接时间和焊接压力的关系）5Q密 44.730.20.6mn( 7.39 MPa00iI2345C789Weld timet s图六（振动幅度为1.6mm时，拉伸强度与焊接时间和焊接压力的关系）基于显微镜观察的结果，人们发现在增强尼龙中，玻璃纤维集中在焊缝区附近。研究显示玻璃 纤

19、维的走向平行于塑料挤压的方向。为了评定两种尼龙材料在焊缝区的混合的程度和玻璃纤维的走向，对拉伸试样的断面进行了扫描电镜的观察。但是在Instytut Spawalnictwa的其他研究人员经过扫描电镜检查的结果却不相同5,7,10。作者声称，如果玻璃纤维垂直于熔合面或者穿过熔合线，接头的强度会更高。 我们的研究结果表明，异种材料焊接形成的接头的强度主要取决于母材的强度。这些结果显示 为断裂图的明亮区域，如图八图九。焊接过程中物料的加入，图中明亮部分显示的是在拉伸试验中被拉长了的玻璃纤维。在这个断裂图中，可以看见一些垂直于焊接表面的单个的玻璃纤维（箭头所示）。这些结果表明，断裂中出现故障的地方是

20、与这样的玻璃纤维的走向紧密相关的。如果裂纹发生在玻璃纤维集中在 经30%玻纤强化的尼龙 66 一侧 那么将会看到玻纤的走向不统一。（也有一部分垂直于焊接表面）1.0站a图七（不同类型尼龙制成的接头试图压力 2.66MPa）图八，a图为加入了 30%玻璃纤维的加强尼龙 66材料，b图为未加玻纤的尼龙 66材料。焊接参 数：振动幅度1.0mm,焊接时间4.5s,焊接压力2.66MPa明亮部分为加入的玻璃纤维。h :焊缝宽度，振幅1.0mm。焊接时间8.5s，焊接7!如果接头的故障发生在焊缝的中间部位或是尼龙66一侧，那么将只能看到很少的玻璃纤维或者看不到玻璃纤维。4、结论研究的结果表明，振动摩擦焊

21、适用于一种材料的热塑性塑料焊接，焊接参数会影响焊接接 头的强度。相比较之前的研究，研究发现接缝的强度不取决于玻璃纤维是否垂直于焊缝，而是 主要取决于母材尼龙材料的强度。显微镜检查的结果显示，焊缝中的玻璃纤维有一种靠近但是 却不穿过增强尼龙一侧的倾向。焊接参数影响焊缝的宽度。在焊接压力恒定的情况下，振动幅 度越大，焊接时间越长，焊缝的宽度越宽。通过扫描电镜的检查发现，接头的强度取决于焊接 材料而不是玻璃纤维是否垂直于焊缝。在Instytut Spawalnictwa进行的焊接接头的拉伸强度的实验的结果跟其他科学家的研究结果相似。拉伸实验的结果显示在焊接压力2。66MPa,振动幅度1.0mm和1.

22、3mm下焊接生产的焊接接头的强度相当于母材强度的60% 75%。在这种焊接条件下，焊接时间分别应该为6.5s和4.5s。b图九，a图为加入了 30%玻璃纤维的加强尼龙 66材料，b图为未加玻纤的尼龙 66材料。焊接参 数：振动幅度1.0mm,焊接时间4.5s，焊接压力7.39MPa，明亮部分为加入的玻璃纤维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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24、e 36 (11) (1996) 2018- 20284 V.K Stoses ,Analysis of the friction(spin) weldingprocess forthermoplastics ,Journal of Materials Scie nee 23(1998)277227855 K.Y.Tsa ng,D.L.DuQues nay,P.J.Bates,Fatiguepropertiesof vibrati on weldednylon 6 and nylon 66 reinforced with glass fibers ,Composites :Part B39(2

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