1、異種尼龍材料振動焊接中焊接參數對焊接 接頭的結構和機械性能的影響摘要：因為尼龍材料有著優異的機械性能，所以尼龍作為一種很受歡迎的材料應用在很多的工 程應用中。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 優勢，并且能在降低重量的同時生產出較高質量的焊縫。這項技術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對振動焊接接頭的影響。質量評估報告在拉伸試驗和顯微鏡檢查 的基礎上，使用光學

2、顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM ）進行檢查。拉伸試驗的結果表明，在適當的焊接條件下，這可以得到質量較好的焊縫。光顯微鏡檢查顯示，焊接參數影響玻璃纖維在焊接區的取向，從而影響材料在焊縫的連續性，焊縫的厚度。電鏡掃 描的結果表明，振動焊接接頭是由兩個被焊尼龍材料相互熔合產生的。1導論：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勢，比如說 焊接周期短，相對簡單的設備，不需要向焊接區域添加額外的材料，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），頻率（10

3、0或240Hz）振動，在焊接區域產生摩擦熱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 態熔體摩擦，三、穩態熔化摩擦，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束，形成焊縫。有很多研究中心5 8研究焊接參數對焊縫質量的影響，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%玻璃纖維的復合材料形成的焊縫。基于這些研究結果，發現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焊接壓力下生產的焊接接頭要比在4.0MPa焊接壓力下生產的焊接接頭強度大。在半結晶聚丙烯焊接的另一項調查5,7,9-11發現接頭的力學特性可能與焊接的結構有關。在偏光鏡的檢查下作者發現在焊接區域中分成四個區域。在最接 近熔合線的區域中，經歷了一個快速冷卻的過程，在這個區域中沒有任何可見的球晶結構。這 種表現出來的非晶體形態可能是因為熱傳導導致冷卻速度過快而引起的12。從熔合線數起的第三個區域是正火區，第四個區域是部分相變區。由于冷卻速度較快，所以這些

6、球狀晶體非常 小，最后一個區域為再結晶區，這個區域的球狀晶體要比穿晶區的要大。研究表明，焊接壓力 可能會對焊縫的結構產生影響，如果焊接壓力過高，可能就不存在再結晶區7,10，研究還表明，這種焊縫特征會導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 技術可以實現異種材料焊接，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將影響 焊接接頭的質量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、焊接壓力和熔化深度會影響焊接接頭的質量 8,13。在焊接壓力為0.66 5.8MPa，熔化深度為0.3 1.7mm的范圍內進行實驗， 研究發現， 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范圍內變化，實驗表明隨著焊接壓力的 降低，熔化區的厚度增大，這些接頭的拉伸強度也越大。由于焊接壓力較低，為了達到規定的 熔化深度，得到較厚的焊接熱影響區，

9、所以焊接時間較長8。在Instytut SpawaInictwa進行的實驗發現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量取決于焊接參數。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開發的專門的測量設備VibRecord。此設備允許監視和記錄以下焊接參數：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晶的熱塑性材料，由于尼龍型號的多樣和他們較為優異的整體性能，尼龍成 為許多工程應用中很受歡迎的材料。尼龍66( PA66)及其復合材料，30%玻纖增強尼龍66 (增強尼龍)，是高性能熱塑性塑料，具有優越的功能，包括耐蠕變，抗疲勞，反復沖擊等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。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：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，是在自己經驗的基礎上經過研究選擇出來的。接頭的質量是進行 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下形成的焊接接頭的拉伸試驗的結果如圖4和圖6,焊接條件見表2和表3。拉伸試驗的結果表明，在較低的焊接壓力（2.66MPa）下生產的焊接接頭的拉伸強度比在較高的焊接壓力（7.39MPa）下生產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，焊接區域會較窄，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域，以觀察玻璃纖維在焊接區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構的影響。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，可以發現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，可以發現焊接時間越長，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，而當焊接時間變為 8.5s時， 接頭厚度為0.16mm。拉伸試驗得到的結果顯示，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系）基于顯微鏡觀察的結果，人們發現在增強尼龍中，玻璃纖維集中在焊縫區附近。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的其他研究人員經過掃描電鏡檢查的結果卻不相同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。這些結果顯示 為斷裂圖的明亮區域，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）。這些結果表明，斷裂中出現故障的地方是

20、與這樣的玻璃纖維的走向緊密相關的。如果裂紋發生在玻璃纖維集中在 經30%玻纖強化的尼龍 66 一側 那么將會看到玻纖的走向不統一。（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：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!如果接頭的故障發生在焊縫的中間部位或是尼龍66一側，那么將只能看到很少的玻璃纖維或者看不到玻璃纖維。4、結論研究的結果表明，振動摩擦焊

21、適用于一種材料的熱塑性塑料焊接，焊接參數會影響焊接接 頭的強度。相比較之前的研究，研究發現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的傾向。焊接參數影響焊縫的寬度。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現，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果跟其他科學家的研究結果相似。拉伸實驗的結果顯示在焊接壓力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：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

23、.2 V.K. Stokes, Vibration welding of thermoplastics. Part II: Analysis ofthe welding process, Polymer Engineering and Scienee 28 (11) (1988) 728-739.3 C.J. Nonhof, M. Riepen, A.W. Melchers, Estimates for process conditions during the vibration welding of thermoplastics, Polymer Engineering andSciene

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

25、008)396 4046 V. LeBlanc, B. Baylis, Vibration welding of dissimilar nylons, in: Annual Tech ni cal Co nference ANTEC, 2001.7 P.J. Bates, J.C. Mah, H. Liang, Microstructure of vibration welded nylon66 joi nts, i n: Annual Tech ni cal Co nference ANTEC, 20018 P.J. Bates, C. Dyck,M. Osti, Vibratio nweldi ng of n ylo n 6 to n ylo n 66,Polymer Engineering and Scienee 44 (2004) 760- 771.9