超聲波焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)

超聲波焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)

　　熱塑性塑料的超聲波焊接接頭的強(qiáng)度與接頭的微觀結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,而焊點(diǎn)位置的熱影響區(qū)與焊接時(shí)的溫度分布有關(guān)。Bates等人認(rèn)為對(duì)于超聲波焊接,在較低的壓力下焊接,會(huì)造成較后的熱影響區(qū)(HeatAffectedZone,HAZ)。超聲波焊接時(shí)接頭的融合厚度越大,熱影響區(qū)也越厚,焊合位置就會(huì)有更多的分子鏈和高分子晶粒垂直于焊縫,這樣接頭的強(qiáng)度就會(huì)提高[33]。Kemal發(fā)現(xiàn)在較低的壓力下,振幅的增加熱影響區(qū)的厚度增加,但是在較高的壓力下,隨著振的增加,熱影響區(qū)的厚度下降。作者認(rèn)為,在較低的壓力下,振幅的增加會(huì)讓焊接時(shí)的焊點(diǎn)的溫度更多的高于材料的熔化溫度。所以在較低壓力下,焊點(diǎn)處的熱影響區(qū)厚度會(huì)隨著振的增加而增大。但是在較高的壓力下,隨著振幅的增加,焊點(diǎn)處會(huì)有更大的剪切率。因此熱影響區(qū)溫度較高材料會(huì)隨著融化料一同流出焊縫,尤其在振動(dòng)停止后[34]。

1.   焊縫的微觀結(jié)構(gòu)

　　使用偏光顯微鏡觀察可以將對(duì)熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分,如圖1.5所示。第一個(gè)區(qū)域是靠?jī)?nèi)區(qū)域(lnnerzone),這里緊挨著熔化線,焊接結(jié)束后熱量傳導(dǎo)流失,快速冷卻,看不到任何結(jié)晶結(jié)構(gòu)。第二個(gè)是再接晶區(qū)域(Recrystanizedz前e),可以看出高分子晶粒。第三個(gè)是變形區(qū)域(Def:)rmidspherulites),這時(shí)的晶粒很小。第四個(gè)是基體區(qū)域。schlarb[35]對(duì)聚丙烯均聚物進(jìn)行不同參數(shù)的焊接,發(fā)現(xiàn)壓力的提高會(huì)影響熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)。在低的壓力下(0.5MPa),焊接面有靠?jī)?nèi)下(2.0MPa),就只有靠?jī)?nèi)區(qū)和變形區(qū)(圖l.5b),再接晶區(qū)可能不會(huì)出現(xiàn)。而且低壓力下,焊縫的厚度要比高壓力下的厚度大,同時(shí)接頭的強(qiáng)度也更高。

2.碳纖維的影響

　　在現(xiàn)代制造中,常常將碳纖維加入熱塑性材料中來(lái)提高材料性能,而復(fù)合材料中,纖維對(duì)超聲波焊接的強(qiáng)度有度有很大的影響。Liu[36]等發(fā)現(xiàn),對(duì)玻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行超聲波焊接所需的尼量比未復(fù)合聚丙烯少。而且隨著玻纖維含量的增加,焊接的強(qiáng)度提高。Kagan[37]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)玻纖維體積分?jǐn)?shù)在l4-25%,對(duì)接接頭的強(qiáng)度高于基體,玻纖纖能夠起到增強(qiáng)焊接強(qiáng)度的作用。在焊接過(guò)程中,材料熔化,熱影響區(qū)的纖維重新布。Lockwood[38]等發(fā)現(xiàn)纖維取向垂直于焊合面,這能有效的提高玻纖維尼龍6焊接接頭的強(qiáng)度。較厚的焊合層能夠提高纖維垂直分布的概率,因此可以提高焊接強(qiáng)度,并使焊件的抗疲勞性能提高。Kamal[34]等認(rèn)為焊接參數(shù)對(duì)融合區(qū)纖維的取向影響,在較大的焊接壓力下,熔融層的厚度很小,纖維將會(huì)沿著融料的流動(dòng)分布。當(dāng)壓力較小時(shí),熔融層較厚,短纖維就會(huì)沿其它方向流動(dòng),這樣就會(huì)有纖維垂直于融料的流動(dòng)方向。這些纖維就起到了提高焊接強(qiáng)度的作用。另外,纖維的加入能夠提高高分子材料的硬度,有利于聲波的傳遞,使用合適的焊接參數(shù)能使焊接強(qiáng)度得到很大提高。

3. 氣孔和材料降解

在超聲波焊接的過(guò)程中,焊接位置的溫度會(huì)升高,當(dāng)高于材料的分解溫度時(shí),材料會(huì)降解并產(chǎn)生氣體,這在接頭位置產(chǎn)生氣孔,影響接頭的強(qiáng)度。Stokes[39]等發(fā)現(xiàn)在壓力較小時(shí),氣孔就會(huì)出現(xiàn)在融合區(qū)。因?yàn)槿诤蠀^(qū)壓力的變化,氣孔的數(shù)量從焊縫中問(wèn)到焊縫邊緣漸漸增加。焊接時(shí),壓力對(duì)熔化區(qū)的作用最大,逐漸靠近基體區(qū),壓力下降至大氣壓,所以氣孔的分布受壓力分布的影響。另外,在焊合區(qū)溫度的增加會(huì)使材料吸收的水分散發(fā)出來(lái)。所以,較高的焊接壓力就可以使熔合區(qū)的氣孔也減少,壓力增加時(shí),氣孔會(huì)向融合區(qū)的邊緣移動(dòng),當(dāng)使用更高的壓力時(shí),在焊接區(qū)域就觀察不到氣孔的存在。對(duì)于碳纖維尼龍復(fù)合材料,在焊接時(shí)由于溫度的升高,尼龍的降解也會(huì)使焊接的強(qiáng)度下降。