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度與接頭的微觀結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,而焊點位置的熱影響區(qū)與焊接時的溫度分布有關(guān)。Bates等人認為對于超聲波焊接,在較低的壓力下焊接,會造成較后的熱影響區(qū)(HeatAffectedZone,HAZ)。超聲波焊接時接頭的融合厚度越大,熱影響區(qū)也越厚,焊合位置就會有更多的分子鏈和高分子晶粒垂直于焊縫,這樣接頭的強度就會提高[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。作者認為,在較低的壓力下,振幅的增加會讓焊接時的焊點的溫度更多的高于材料的熔化溫度。所以在較低壓力下,焊點處的熱影響區(qū)厚度會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,焊點處會有更大的剪切率。因此熱影響區(qū)溫度較高材料會隨著融化料一同流出焊縫,尤其在振動停止后[34]。

1.   焊縫的微觀結(jié)構(gòu)

　　使用偏光顯微鏡觀察可以將對熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)進行區(qū)分,如圖1.5所示。第一個區(qū)域是靠內(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)。第二個是再接晶區(qū)域(Recrystanizedz前e),可以看出高分子晶粒。第三個是變形區(qū)域(Def:)rmidspherulites),這時的晶粒很小。第四個是基體區(qū)域。schlarb[35]對聚丙烯均聚物進行不同參數(shù)的焊接,發(fā)現(xiàn)壓力的提高會影響熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)。在低的壓力下(0.5MPa),焊接面有靠內(nèi)下(2.0MPa),就只有靠內(nèi)區(qū)和變形區(qū)(圖l.5b),再接晶區(qū)可能不會出現(xiàn)。而且低壓力下,焊縫的厚度要比高壓力下的厚度大,同時接頭的強度也更高。

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提高材料性能,而復(fù)合材料中,纖維對超聲波焊接的強度有度有很大的影響。Liu[36]等發(fā)現(xiàn),對玻纖維增強聚丙烯復(fù)合材料進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,焊接的強度提高。Kagan[37]等發(fā)現(xiàn)當玻纖維體積分數(shù)在l4-25%,對接接頭的強度高于基體,玻纖纖能夠起到增強焊接強度的作用。在焊接過程中,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度,并使焊件的抗疲勞性能提高。Kamal[34]等認為焊接參數(shù)對融合區(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,纖維將會沿著融料的流動分布。當壓力較小時,熔融層較厚,短纖維就會沿其它方向流動,這樣就會有纖維垂直于融料的流動方向。這些纖維就起到了提高焊接強度的作用。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)能使焊接強度得到很大提高。

3. 氣孔和材料降解

在超聲波焊接的過程中,焊接位置的溫度會升高,當高于材料的分解溫度時,材料會降解并產(chǎn)生氣體,這在接頭位置產(chǎn)生氣孔,影響接頭的強度。Stokes[39]等發(fā)現(xiàn)在壓力較小時,氣孔就會出現(xiàn)在融合區(qū)。因為融合區(qū)壓力的變化,氣孔的數(shù)量從焊縫中問到焊縫邊緣漸漸增加。焊接時,壓力對熔化區(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)溫度的增加會使材料吸收的水分散發(fā)出來。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,氣孔會向融合區(qū)的邊緣移動,當使用更高的壓力時,在焊接區(qū)域就觀察不到氣孔的存在。對于碳纖維尼龍復(fù)合材料,在焊接時由于溫度的升高,尼龍的降解也會使焊接的強度下降。