木塑復(fù)合板材的超聲波直角焊接性能試驗(yàn)1)

周一龍 趙 輝 祝虹媛

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木塑復(fù)合材料(Wood－Plastic Composites，縮寫為WPC)，在美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)中給出的定義是:一種主要由木材或者纖維素為基礎(chǔ)材料與塑料(也可以是多種塑料)制成的復(fù)合材料[1]。木塑復(fù)合材料是一類主要由熱塑性聚合物基質(zhì)和大量木質(zhì)纖維填料及少量助劑組成的新型材料，其材料結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、熱性質(zhì)和熔體的粘結(jié)性等對(duì)其連接性能有顯著影響，與木材和塑料的連接方式有所差別。為解決目前木塑制品采用螺栓連接出現(xiàn)的如連接效率不高、強(qiáng)度不大等問題，筆者利用超聲波的高頻振蕩原理，對(duì)木塑復(fù)合材料焊件的接頭進(jìn)行局部加熱和表面清理，然后對(duì)其施加壓力實(shí)現(xiàn)焊接。由于超聲波焊接時(shí)不需要外加熱源，具有不受焊接性的約束，沒有氣、液相污染等，且焊接速度快，質(zhì)量好，因此具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景[2]。

筆者在前期木塑板材搭接超聲波焊接試驗(yàn)中，焊件連接處的強(qiáng)度超過了材料本體的抗拉強(qiáng)度，但并沒有對(duì)板材的直角連接進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和研究[3]。本文應(yīng)用超聲波焊接技術(shù)，采用目前應(yīng)用較多的擠出工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料作為超聲波焊接焊件材料，結(jié)合木塑復(fù)合材料具有加工周期短、效率高、成型工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4]，對(duì)木塑板材進(jìn)行了兩焊件相互垂直的直角焊接，以確定合理的焊接工藝參數(shù)，為木塑窗等的超聲波焊接提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

采用PP(聚丙烯)36%、木粉60%、MAPP(馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯)4%共同混粉擠出的截面尺寸為4 mm×40 mm的木塑條料。將擠出后的木塑條料鋸切成15、20、25、30 mm 寬的焊件4 組，將短邊磨削成頂角為60°的形狀，作為該焊件的導(dǎo)能筋[5]，如圖1;配制丙烯酸酯膠黏劑和環(huán)氧樹脂膠黏劑，作為兩板材連接用膠[6]。

圖1 焊件導(dǎo)能筋

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

明和ME－3015KC型超聲波塑料焊接機(jī)(上海明和公司)，額定功率2200 W，工作頻率15 kHz;萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。超聲波焊機(jī)焊頭振動(dòng)時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱發(fā)振時(shí)間)由1 s至5 s每隔0.5 s做一次焊接試驗(yàn)，共9組，保壓時(shí)間2 s，焊接壓力0.5 MPa。

1.3 焊接原理

木塑復(fù)合材料的超聲波焊接原理與塑料超聲波焊接原理類似。本試驗(yàn)中，超聲波發(fā)生器將工頻電流(50 Hz)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l振蕩電流(15 kHz)，換能器利用逆壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械能，聚能器放大振幅，并將其通過耦合桿、上聲極(焊頭)傳遞至木塑復(fù)合材料。由于兩焊件結(jié)合處有很大阻力，超聲波能量聚集于此，兩焊件在高頻振動(dòng)下劇烈地摩擦，產(chǎn)生的熱量使兩焊件結(jié)合處熔化，完成焊接。本試驗(yàn)焊頭與焊接面距離為4 mm，小于近遠(yuǎn)域焊分界值6.4 mm，故該焊接屬于近域焊[7]。

此外，試驗(yàn)中還選取了丙烯酸酯膠黏劑和環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接兩焊件，用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)量各工藝參數(shù)下焊接和膠接的連接強(qiáng)度，對(duì)比分析和評(píng)價(jià)兩種連接方式。

2 試驗(yàn)過程

首先，將焊件a在夾具中夾緊，焊件b放在a的導(dǎo)能筋上面(呈T字形，如圖2)，觸發(fā)開關(guān)使超聲波焊機(jī)工作。隨著焊頭下降至工作位置，焊頭將振動(dòng)能量傳遞至兩焊件的焊接面，高頻振動(dòng)使焊件a的導(dǎo)能筋熔化。當(dāng)發(fā)振停止后，焊頭在氣缸壓力作用下繼續(xù)對(duì)焊件施加壓力(保壓)，保證熔化材料在兩焊接面間形成焊接關(guān)系直至固化。保壓時(shí)間結(jié)束后，焊頭升起，將焊件從夾具中取出(翻轉(zhuǎn)180°后，如圖3)，冷卻至室溫，放置24 h。然后，配置丙烯酸酯膠黏劑和環(huán)氧樹脂膠黏劑，分別粘接兩膠接件并放置24 h(使用環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接膠接件后須在40～50℃保溫3 h后室溫靜置24 h)。接著，用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)量焊件與膠接件的連接強(qiáng)度，得到拉伸試驗(yàn)曲線。最后，用掃描電子顯微鏡觀察焊件接頭的連接狀態(tài)。

圖2 超聲波直角焊接示意圖

3 結(jié)果與分析

在發(fā)振時(shí)間為4 s的工藝參數(shù)下，寬度為20、25、30 mm的3組焊件，其導(dǎo)能筋不能完全熔化或基本不能熔化，無(wú)法形成焊接接頭，焊接失敗;只有寬度為15 mm的焊件，其導(dǎo)能筋完全熔化，形成較好的焊接接頭，焊接成功。因此，文中只討論和分析寬度為15 mm的焊件在不同發(fā)振時(shí)間下的超聲波焊接試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 焊件形貌觀察

發(fā)振時(shí)間為1 s的焊件，焊件a的導(dǎo)能筋僅有一部分熔化，沒有形成焊接接頭，焊接面周圍無(wú)溢料產(chǎn)生;發(fā)振時(shí)間為1.5 s的焊件，焊件a的導(dǎo)能筋大部分都已熔化，基本形成焊接接頭，焊接面周圍無(wú)溢料產(chǎn)生;發(fā)振時(shí)間2 s至4.5 s的焊件，焊件a的導(dǎo)能筋基本熔化，形成焊接接頭，并在焊接面周圍產(chǎn)生溢料(圖3)。溢料由焊件a的導(dǎo)能筋熔化和焊件b的材料本體熔化組成，其中大部分是由焊件a的導(dǎo)能筋熔化形成;發(fā)振時(shí)間為5 s的焊件，兩焊件焊接面處溢料過多且分散，外觀不整潔，且由于發(fā)振時(shí)間過長(zhǎng)，焊件b與焊頭接觸的面局部發(fā)黑，表面塑料溫度升高并伴隨木粉的部分碳化，影響表面質(zhì)量。

在幾組試驗(yàn)中，由于超聲波能量使導(dǎo)能筋熔化至熔融態(tài)，焊接面摩擦系數(shù)減小，焊件b在振動(dòng)和壓力作用下與焊件a產(chǎn)生相對(duì)位移，不能保證焊接前兩焊件放置的相對(duì)位置，出現(xiàn)如圖3中兩焊件相對(duì)位置的滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，這樣的相對(duì)滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)是隨機(jī)的且不可控制，所以每組試驗(yàn)的焊件其相對(duì)位置各不相同。若需兩焊件保證相對(duì)位置，還應(yīng)使用升降臺(tái)和卡槽等夾具。

圖3 焊接后的試件

3.2 拉伸試驗(yàn)

將焊好的焊件放在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的夾具上，得到不同發(fā)振時(shí)間下的抗拉強(qiáng)度曲線，圖4為發(fā)振時(shí)間2.5 s的拉伸曲線。該焊件能承受的最大拉力為324.2 N，抗拉伸強(qiáng)度為 5.403 MPa。拉伸試驗(yàn)后，試件分離如圖5。其余各組不同發(fā)振時(shí)間的抗拉強(qiáng)度見表1。

圖4 焊件拉伸試驗(yàn)曲線

圖5 拉伸后焊件分離

表1中數(shù)據(jù)顯示:發(fā)振時(shí)間1.5 s與1 s相比，焊件的抗拉強(qiáng)度有明顯的提高;發(fā)振時(shí)間為2 s的焊件，抗拉強(qiáng)度為2.17 MPa，與相鄰兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，可歸因?yàn)樵囼?yàn)過程中焊件放置偏差或測(cè)量過程中的誤差;發(fā)振時(shí)間2.5 s與3.0 s的焊件，其抗拉強(qiáng)度基本穩(wěn)定在5.4 MPa左右;發(fā)振時(shí)間3.5、4.0、4.5 s的焊件，其抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在7 MPa左右，為本試驗(yàn)中抗拉強(qiáng)度最高的3組;發(fā)振時(shí)間5.0 s的焊件，其抗拉強(qiáng)度突然減小到2.83 MPa，其原因是發(fā)振時(shí)間的增加導(dǎo)致了超聲波能量傳遞的增大，在形成焊接接頭后繼續(xù)傳遞超聲波能量，這些多余的能量會(huì)破壞本已形成的焊接接頭，導(dǎo)致連接強(qiáng)度降低。由此可見，發(fā)振時(shí)間3.5 s至4.5 s的焊件，基本形成連接強(qiáng)度較大的接頭，抗拉強(qiáng)度數(shù)值基本穩(wěn)定。此外，本試驗(yàn)采用同一臺(tái)萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)量膠接對(duì)比組的連接強(qiáng)度，采用環(huán)氧樹脂膠黏劑粘接的兩膠接件無(wú)法得到其連接強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果;采用丙烯酸酯膠黏劑粘接的兩焊件，最大拉力為68.4 N，抗拉強(qiáng)度為1.14 MPa。相比木塑復(fù)合材料的連接強(qiáng)度，膠接件的抗拉強(qiáng)度明顯不如焊接件，二者最大相差6～7倍。由此可見，超聲波焊接在木塑復(fù)合材料直角連接中具有較大優(yōu)勢(shì)。

表1 不同焊接時(shí)間下焊件的抗拉強(qiáng)度

3.3 掃描電鏡(SEM)觀察

用QUANTA200型掃描電子顯微鏡觀察發(fā)振時(shí)間為4 s的焊件。從材料流動(dòng)和成型方向來(lái)看，圖6(a)中可以清晰分辨出焊件a與焊件b。焊件a的下表面與焊件b的上表面結(jié)合較好，基本看不出明顯的焊縫;但焊件a的導(dǎo)能筋在壓力作用下切入焊件b的過程中，兩焊件的側(cè)面連接出現(xiàn)一條明顯的縫隙。從圖6(b)中可看出，在焊縫兩側(cè)，兩焊件有不同的熔化狀態(tài)，放大后如圖6(c)，能清晰看見焊縫右側(cè)(焊件b焊接面)晶瑩剔透狀的材料為熔化過的塑料，說(shuō)明在焊接過程中，導(dǎo)能筋并沒有全部熔化，部分沒有熔化的導(dǎo)能筋切入焊接面，形成焊縫，且超聲波振動(dòng)能量使焊件a的導(dǎo)能筋部分熔化的同時(shí)，也將焊件b的焊接面附近塑料熔化。焊件a和焊件b中塑料熔化后彼此融合，會(huì)形成焊接效果較好的焊接面，并在固化后形成整體，增加了連接強(qiáng)度;焊件a和焊件b的塑料熔化后不能彼此融合，則會(huì)形成焊接效果不太好的部分焊接面，固化后仍然彼此分離，抗拉試驗(yàn)過程中只表現(xiàn)為界面間的摩擦，對(duì)抗拉強(qiáng)度的增大貢獻(xiàn)不大。

圖6 發(fā)振時(shí)間4 s的焊件掃描電鏡觀察圖像

4 結(jié)論

超聲波焊接工藝在木粉/PP復(fù)合材料的連接應(yīng)用中，可以對(duì)相互垂直的兩焊件進(jìn)行直接焊合，且具有一定強(qiáng)度。發(fā)振時(shí)間3.5 s的焊件，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到7.04 MPa;發(fā)振時(shí)間 4.0 s和 4.5 s的焊件，其抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在7 MPa左右，為膠接的6～7倍，并具有相對(duì)穩(wěn)定的連接。完全熔化的導(dǎo)能筋，可以在焊接面形成強(qiáng)度較高的接頭。沒有完全熔化的導(dǎo)能筋，可通過增加兩焊件接觸面摩擦力的方式增加連接強(qiáng)度。

試驗(yàn)中確定的具有一定連接強(qiáng)度的焊接工藝參數(shù)對(duì)其他木塑構(gòu)件的垂直連接有借鑒意義，其理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可應(yīng)用于木塑窗等的超聲波焊接。

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