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

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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

2、验和显微镜检查的基础上，使用光学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

3、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（100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。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，并且材料外流也非常小，随着该过程的进行，熔融材料的厚度

4、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

5、要取决于焊接压力，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

6、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

7、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40℃[10]，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[8,1

8、3]。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