材料湿度对超声波焊接质量的影响分析*

2016-11-18徐中黄禹丁斌陈志

橡塑技术与装备 2016年10期

关键词：样件湿度超声波

徐中，黄禹，丁斌，陈志

（1.华中科技大学制造装备工程中心，湖北武汉 430074；2.广东威精密塑料股份有限公司，广东佛山 528305）

材料湿度对超声波焊接质量的
影响分析*

徐中1，黄禹1，2丁斌2，陈志1

（1.华中科技大学制造装备工程中心，湖北武汉 430074；2.广东威精密塑料股份有限公司，广东佛山 528305）

超声波焊接加工尼龙等高分子聚合物材料时，材料含湿率对焊接强度与焊接时间长短有着显著的影响。采用单因素分析方法，分析了材料含湿率对焊接质量及焊接过程的影响。结果表明当材料含湿率增加时，焊接强度将下降，而焊接时间则呈现先增加后减少的规律，实验结论为进一步提升超声波焊接质量提供了依据。

超声波焊接；焊接质量；材料湿度；因素分析

塑料超声波焊接凭借焊接时间短、焊缝质量高的特点，而广泛应用于热塑性材料的焊接。焊缝结构与强度是超声波焊接焊缝的两个重要考量指标，其受到众多因素的影响。焊接材料的特性对于焊接加工过程有着直接的影响，对于高分子材料，例如尼龙，材料的含湿率对其材料特性具有显著的影响［1-3］，进而可能影响到焊接得到的焊缝质量。实际生产环境中焊接原材料易受到贮藏、加工环境湿度的影响而引起其含湿率的较大变化，为了得到较为稳定的焊缝，以尼龙作为焊接材料，分析了其不同含湿率下，焊接得到的焊缝质量与焊接时间，探究其含湿率是否会对焊接加工质量具有显著的影响，进而为实际加工提供实验依据。

1 超声波焊接特性

塑料超声波焊接过程中，高频机械振动传导到焊接表面，焊接表面上的质点因超声波激发而快速振动，产生摩擦，释放出大量的热，加之塑料导热性差，热量不易散发，便在焊接处形成局部高温，实现焊接加工［4，5］。塑料材料能否焊接与其材料特性具有密切的关系，其可焊性可用公式1表征［6］。

G = K·E·λ·μ/ρ·C·t（W/m2·K）（1）

其中，

G——塑料材料的可焊性；

K——焊件形状因子，取决于焊件的壁厚、尺寸大小及焊头的形状尺寸；

E——塑料的弹性模量，GN/m2；

λ——导热系数，W/m·K；

μ——塑料的摩擦系数；

ρ——塑料的密度，kg/m3；

C——比热，J/kg·K；

t——熔点，K。

从上式可以看出塑料材料的可焊性与其弹性模量、导热系数、摩擦系数成正比，而与其密度、比热容及熔点成反比。

尼龙等高分子聚合物材料具有许多优良的特性，但由于碳酰胺健（—CO—NH—），其具有较强的亲水性。水分子会导致氢键连接强度的削弱，随着尼龙材料含湿率的增加，其材料性能也会随之改变［2］。研究表明尼龙66的含湿率会影响其刚度和阻尼特性，而在超声波焊接加工中，材料阻尼越大越有利于振动能量向热能的转化，但当材料阻尼过大时，也会导致振动能量被吸收而无法实现焊接［7］，因此如何确定适宜的材料含湿率以保证材料的可焊性就尤为重要。

2 实验设计与结果分析

2.1实验设计

为了探究材料含湿率对超声波焊接过程的影响，选用尼龙6作为焊接用材料，设计单因素实验。为获得不同含湿率的样件，将样件分别置于不同湿度的环境中，而其余条件（温度，时间）均相同，采用相对重量比率来控制材料的含湿率，多次称重以保证材料含湿率的稳定性，实验中样件含湿率预处理如表1所示。焊接用样件如图1所示，采用注射制模方法得到。

表1　样件含湿率预处理

图1　焊接样件

焊接加工中，各组超声波焊接参数保持不变，参数设置如下：焊接频率20 kHz，焊接幅值30 μm，焊接压力2.2 N/mm2，焊缝长度0.7 mm，以达到理性焊缝的焊接时间及焊缝强度为考量指标进行对比分析。

2.2结果分析

如图2所示为焊缝强度与材料含湿率之间的关系图，从图中可以看出材料含湿率对焊接强度具有较为显著的影响，没有做任何处理的样件焊接得到的焊缝强度最大，而随着材料含湿率的增大其焊缝强度逐渐减少。材料含湿率为0.6%时，焊缝强度即开始大幅降低，当材料含湿率在1.7%～3.4%之间时，焊缝强度继续下降但基本维持不变，而材料含湿率从3.4%～7.7%时，焊缝强度又大为降低。通过显微镜对焊缝结构组织进行观察，如图3所示，可以看到在焊接区域存在孔隙，而材料含湿率越大现象越明显，材料湿度导致焊缝区域孔隙的产生，降低了焊缝强度。图3中材料含湿率最大时（7.7%），还可以发现其焊缝厚度较其它组更薄，焊缝强度与厚度也是具有直接关系的［8］，这进一步降低了焊缝强度。