复合尼龙塑料件超声波焊接 破裂分析与解决　　
  摘要: 介绍了尼龙玻纤复合材料带饶性的薄壁圆筒件超声波焊接时, 出现的破裂情况。并对其原因进行了分析。 采取有效措施解决了焊接破裂问题, 使焊接零件完全合格。 　　
   某公司有如图1 所示结构的, 材料为尼龙加30 % 玻纤(PA66 + 30GF) 复合塑料的零件。
   该塑料注塑成 带饶性结构的两个半圆柱形, 用超声波焊接将两个半 圆柱焊接成圆筒。在焊接过程中, 发现图中1 部分焊 接破裂, 甚至飞出。调节焊接工艺参数(焊接时间,超 声波能量等) , 焊接效果不能得到改善, 能量太低时, 又不能起焊。因此仅靠简单的焊接工艺参数的调节是 解决不了问题的
　焊接破裂的原因分析 从零件的破裂情况, 焊接件是在图1 中的1 部分 破裂, 笔者就超声波焊接原理、零件材料、结构三个 方面分析其原因。
    111 　超声波焊接原理 针对该零件, 采用超声波焊接, 从超声波塑料焊 接的原理来讲, 它是由超声波的电振荡能量转换成机 械振动能, 并通过变幅器和焊接工具头传递给塑料 件, 这样在加压的条件下给塑料件施加超声振动, 在 塑料结合面之间, 由于机械振动的吸收、结合区振动 的反射和结合面之间微观摩擦而产生大量的热能, 这 些热能使塑料件在结合处产生熔合, 从而实现塑料件 之间的焊接。即超声波焊接会产生的机械振动, 焊接 件的结合面吸收振动能, 受热熔合在一起。从以上原 理看出, 零件的结合面要吸收振动能, 还要被加热。
    112 　材料方面原因 材料为PA66 + 30GF , 具有强度高, 刚性好, 耐 高温等优点, 然而熔点高, 熔融温度范围小, 焊接性 能相对较差。因此该种材料的零件焊接时, 温度变化 不能过大; 同时由于不容易吸收能量, 所以受到的振 动超出其承受范围会降低焊接精确度。
    113 　焊接件结构分析 如图1 结构所示, 1 部分相当于一个悬臂梁, 具 其斜率即为2 Kg 。此法用于本文使时, To m = 501 K, T = 323 K[11 ] , 结果见表1 。从表1 可看出, Kg 值 随纳米TiO2 含量的增加而升高, 说明纳米TiO2 阻碍 了尼龙6 分子链的移动, 使其结晶速率降低, 同时尼 龙6 由晶核生长占主导地位逐渐向成核机制占主导地 位转变。
3 　结　论
1) MC 尼龙6 及其原位纳米复合材料的等温结晶 行为具有很强的温度依赖性, 随结晶温度的提高, 结 晶速率降低。
2) 纳米TiO2 对MC 尼龙6 基体具有异相成核作 用, 使其原位纳米复合材料结晶速率常数变大, 半结 晶时间变小。
3) 采用Hoffman 成核结晶理论计算MC 尼龙6 及其原位纳米复合材料的Kg 发现, 原位纳米复合材 料的Kg 大于MC 尼龙6 且随着纳米含量的增加而增 加, 说明纳米TiO2 阻碍了MC 尼龙6 分子链的运动, 同时尼龙6 由晶核生长占主导地位逐渐向成核机制占 有很强的饶性。在焊接时, 受到振动后的变形较其它 部分更加明显。 综合以上三个方面分析, 得到该零件焊接破裂的 原因是因为材料的刚性好, 强度高不容易吸收振动 能, 加之其悬臂梁结构, 不能接受强的振动能, 而又 采用靠超声振动来焊接的方法, 三个方面加一起导致 了零件的破裂。
2 　解决方法 找到了焊接破裂的原因, 针对这些原因, 可以有 以下一些解决的方法:
1) 零件选用其它的材料来代 替;
2) 更改零件的饶性结构, 将图1 中的部分1 , 减 少饶性;
3) 减少饶性结构受到的能量;
4) 改用其它 焊接方法。 因为该零件的使用要求, 是材料的刚性好、强度 高; 同时更改结构也是不太方便和经济的。用超声波 焊接方法来焊接塑料有其优越性, 外观好且不需要填 料。比较几中解决方案, 综合时间及经济效益, 本实 验认为方案3 是较简便, 较快和效益好的方案。 目前是如何减少饶性结构受到的能量。减少超声 波能量, 零件焊接不好甚至不能起焊; 将零件受到的 能量吸收或传递一部分, 达到减少能量的目的。开始 用金属条置于零件上传递能量, 焊接合格率达到 80 % , 除去操作失误, 用金属条吸收能量, 焊接结果 不能保证100 %。此方法不是理想的解决办法。因此 实验采用聚氨酯弹性体, 因其具有很好的吸能减振的 作用。在饶性结构处的夹具上涂上聚氨酯材料, 在超 声波焊接时吸收部分能量, 经过实际操作焊接, 焊接 牢固, 接口强度高, 表面外观质量好, 无溢流和毛刺 等现象, 焊接后零件完全合格。
3 　结论 塑料零件的应用越来越多, 塑料的焊接也开始倍 受关注。超声波焊接越来越得到广泛的应用。以上材 料超声波焊接零件破裂问题的成功解决对一些难焊接 塑料件的焊接具有参考意义。