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摘 要:采用试验设计方法对40%滑石粉填充聚丙烯振动摩擦焊接强度的影响因素进行分析, 确定了焊接 深 度、焊 接 振 幅、焊 接 机 压 紧 力 等 是 其 主 要 影 响 因 素。结 果 表 明:当 焊 接 振 幅 为 1.2mm,焊接深度为1.8mm,压紧力为4MPa时,焊接强度最高;当增加焊接工位数量时,焊接强 度有明显增加的趋势,三工位的焊接强度能够达到(11.24±0.80)MPa。

关键词:聚丙烯;滑石粉;振动摩擦焊;振幅

中图分类号:TQ323.6 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)04-0027-06

滑石粉(Talc)的填充可改善聚丙烯(PP)原材 料的多种性能,包括成型收缩率、表面硬度、弯曲模 量、抗拉强度、冲击强度、产品尺寸稳定性和热变形 温度等。随着滑石粉用量的增加,改性料的热变形 温度逐步升高,这是因为滑石粉的加入大幅度提高 了材料的刚性,同时在一定程度上降低了改性料的 成型收缩率[1-2]。高含量 PP-Talc40% 材料体系具 有高模量、低尺寸变化率、高耐热温度等特点,广泛 应用于车灯壳体、空调风门、空调出风口叶片等汽车 零部件中[3-4]。由于汽车向轻量化、集成化的趋势发 展,很多结构相对复杂的 PP-Talc40%产品不能一 次注塑成型,因此需要通过焊接技术将不同塑料零 部件焊接在一起[5-6]。

振动摩擦焊接方法是两个塑料零部件在一定的 压紧力、振幅和频率下,焊接试样相互摩擦产生热 量,经过 熔 融 固 化 以 及 冷 却 后,达 到 永 久 性 连 接 [7-12]。因为该方法是大位移运动,能产生足够热量, 所以能完成高强度焊接。振动摩擦焊接方法的兼容 性比其他焊接方法(包括热板焊接、激光焊接、超声 波焊接)更好,使用该方法的焊接件具有较高的焊接 强度和良好的密封性。

目前,已有相关文献研究了不同 焊接性能的规律[13-14],但是不同的焊接PP工材艺料对体P系PTalc40%体系焊接性能影响的研究较少。 笔者以PP-Talc40%体系为原料,通过注塑成型 制备焊接样条。采用试验设计方法(DOE)研究了焊 接深度、焊接振幅以及压紧力对焊接强度的影响,同 时分析了不同的焊接工艺(包括深度、振幅、压紧力以 及焊接工位等)对PP-Talc40%体系焊接强度的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为 PP-Talc40%材料体系,抗拉强度为 35MPa,拉伸速率为50mm/min。以注塑成型方式制备 的试样结构如图1所示。平面试样长度为40.00mm,宽 度为150.0mm,焊接部位厚度为6.00mm。凹面试样的 焊缝区域凹槽深度为1.00mm,长度为400.0mm,宽度为 150.0mm,焊接部位厚度为41.5mm。

1.2 焊接工艺

将平面试样固定于上方模具中,凹面试样置于 下方模具中,具体焊接过程如图2所示,设定工艺条 件,选用深度模式,将平面和凹面试样进行振动摩擦 焊接,焊接后试样如图1c)所示。

1.3 力学性能试验

采用德国ZWICK-ROELL20kN型电子万能试验 机对振动摩擦焊接后的试样(宽度为15mm,厚度为 4.15mm)进行焊接强度测试,标距为50mm,拉伸速 率为5mm/min。焊接强度T 定义为焊接试样断裂 时的最大强度,具体计算方法如式(1)所示。 T =Fmax/S (1) 式中:Fmax 为拉伸剪切过程中的最大断裂力;S 为 焊接区域面积,为62.25mm2。

1.4 DOE试验方案

根据 计方案(见D表O1E)方。法,列出3因子5水平的全因子设 表1 3因子5水平全因子设计方案 水平 因子1(焊接 深度)/mm 因子2(焊接 振幅)/mm 因子3 (压紧力)/MPa 1 0.3 0.6 3 2 0.6 0.9 4 3 1.0 1.2 5 4 1.4 1.5 6 5 1.8 1.8 7 利用表1中的试验方案进行振动摩擦焊接试 验,在 单 工 位 焊 接 过 程 中,当 焊 接 压 紧 力 超 过 4MPa时,上下模具在相互接触挤压的过程中,试 样已被破坏,无法进行焊接,因而在单工位的焊接过 程中,控制压紧力为3 MPa。对焊接后的试样进行 抗拉强度测试,试验结果如表2所示。

度也增加,若想 该材料获 得 较 高 的 焊 接 强 度,焊 接 振 幅 需 不 小 于 1.2mm,焊接深度不小于1.0mm;由图3b)可知,当 焊接振幅为1.2mm,焊接深度为1.8 mm 时,焊接 强度均值最高;当焊接振幅为1.5mm,焊接深度为 1.8mm 时的焊接强度均值次之。

2 试验结果

2.1 焊接振幅对焊接强度的影响

固定 焊 接 深 度 为 1.8 mm,焊 接 压 紧 力 为 3 MPa,焊接 振 幅 分 别 为 0.5,0.7,0.9,1.1,1.3, 1.5,1.6,1.7 mm,试 样 焊 接 强 度 与 焊 接 振 幅 的 关 系曲线如 图 4 所 示。由 图 4 可 知,随 着 焊 接 振 幅 的增大,焊接强度有增加的趋势,当焊接振幅大于 0.9mm 时,焊 接 强 度 变 化 不 大,为 4.42 MPa~ 5.62 MPa。

不同焊接振幅时试样的焊接接头横截面微观形 貌(压紧力为3MPa,焊接深度为1.8mm)如图5所 示,由图5可知,振幅为0.5mm 时的表面出现相对 较多的灰黑色区域,表明在拉伸断裂过程中,这部分 区域出现相对较少的聚丙烯分子链段的相互拉扯现 象。从而进一步说明焊接过程中,低振幅条件下,聚 合物分子链段熔融,缠结能力相对较弱,焊接强度 较低。

2.2 焊接深度对焊接强度的影响

设定焊接 压 紧 力 为 3 MPa,焊 接 振 幅 分 别 为 0.6,1.2,1.8mm,焊接深度分别为0.1,0.2,0.4,0.6, 0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8mm。试样焊接强度与焊 接深度的关系曲线如图6所示。

由图6可知,焊接振幅为0.6mm 时,随着焊接 深度的增加,焊接强度不断增加,但是焊接强度相对 较低。主要原因是在低振幅下,剪切力较低,接触面 分子间的热运动能力不足,导致分子链之间的缠结 能力降低。另外,PP-Talc40%材料体系在振动摩擦 焊接的固液相变阶段,摩擦生热导致流体的层与层 之间发生横向流动,试样中的滑石粉在接触面相互 交叉结合,如果分子链缠结能力不足,焊接强度就会 降低。

不同焊接深度时试样的焊接接头横截面微观形 貌(压紧力为3 MPa,振幅为1.2mm)如图7所示, 由图7 可知,当 振 幅 为 1.2 mm,压 紧 力 为 3 MPa 时,其焊接面影像中灰黑色局部区域的占比相差不 大,表明高振幅条件下,其焊接强度受焊接深度的影 响较小。

需要选择相对较高的振幅对 PP-Talc40%材料 体系试样进行振动摩擦焊接。在高振幅条件下,尤 其当焊接振幅为1.8 mm 时,在较小的焊接深度下 就能够达到比较高的焊接强度。

2.3 焊接机压紧力对焊接强度的影响

固定焊接振幅为1.8mm,焊接压紧力分别设定 为3,4,5MPa,选择单工位的焊接方式,焊接深度分 别为0.7,0.9,1.1,1.3,1.5mm。

不同压紧力下试样的焊接强度与焊接深度的关 系如图8所示,由图8可知,当焊接振幅和焊接深度 相同,压紧力为 4 MPa时的焊接强度均比 3MPa 时大;当焊接深度为 1.3 mm 时;焊接强度均值为 10.12 MPa;当压紧力为5 MPa,上下模具合模时, 试样被破坏,焊接强度较低,均值约为0.16MPa。

不同压紧力时试样的焊接接头横截面微观形貌 (焊接深度 为1.3mm,焊 接 振 幅 为1.8mm)如 图9 所示,由图9可知,当压紧力设定为4 MPa时,其接 头处横截面微观形貌基本呈现白色。当压紧力设定 为5MPa时,试样被破坏,焊接强度很低。

2.4 焊接工位数对焊接强度的影响

考虑增加工位数,即采用同时焊接多个试样的 方式来平衡单个试样局部压强过高的现象,等同于 增加试样焊接区域的面积。不同工位焊接方式如图 10所示。 固定焊接振幅 为 1.8 mm,压 紧 力 为 4 MPa, 焊接深度分别为0.7,0.9,1.1,1.3 mm,不同焊接 工位时 焊 接 强 度 与 焊 接 深 度 的 关 系 如 图 11 所 示,由图11 可 知,在 相 同 焊 接 压 紧 力 条 件 下,随 着同时焊接工位数 量 的 增 加,焊 接 强 度 有 明 显 增 加的趋势,三工位 的 焊 接 强 度 能 够 达 到(11.24± 0.80)MPa。

不同焊接工位时试样焊接接头横截面微观形貌 (焊接深度为1.1mm,焊接振幅为1.8mm)如图12 所示,由图12可知,随着焊接工位数的增加,其接头 处横截面微观形貌的白色区域占比越来越高。选择 相对较多的工位数进行焊接,焊接面处分子链缠结 能力更好。 根据 以 上 分 析 结 果 可 知:选 择 焊 接 振 幅 为 1.8mm,压 紧 力 为 4 MPa,三 工 位 的 焊 接 方 式 为 PP-Talc 艺 40%材料体系相对较好的振动摩擦焊接工 参数。

3 结论

(1)随着焊接振幅的增大,焊接强度有增加趋 势,当焊接振幅小于0.6mm 时,焊接强度较低;焊 接振幅大于0.9mm 时焊接强度变化不大。

(2)需要设定较大的焊接振幅对该种材料进行 焊接,当焊接振幅为1.8mm 时,较小的焊接深度也 能够达到较高的焊接强度;在高振幅条件下,焊接强 度受焊接深度的影响较小。

(3)焊接 振 幅 和 焊 接 深 度 相 同 时,压 紧 力 为 4MPa时的焊接强度均比3MPa时大,大于5MPa 时的焊接强度较低。

(4)增加焊接工位数能够得到更高的焊接强 度。三工位时的焊接强度为(11.24±0.80)MPa。

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