基于盲孔法的ABS熱焊板件殘余應(yīng)力測量

夏建盟，黃池光，許晶瑋，2，汪爐林，2，胡付余，楊明

（1.上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714； 2.金發(fā)科技股份有限公司塑料改性與加工國家工程實驗室，廣州 510663）

基于盲孔法的ABS熱焊板件殘余應(yīng)力測量

夏建盟1，黃池光1，許晶瑋1，2，汪爐林1，2，胡付余1，楊明1

（1.上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714； 2.金發(fā)科技股份有限公司塑料改性與加工國家工程實驗室，廣州 510663）

采用盲孔法對4種丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）熱焊板進行了殘余應(yīng)力的測量，獲得了這4種熱焊板焊趾區(qū)的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ABS經(jīng)過熱焊成型后容易在焊趾區(qū)形成較高的殘余應(yīng)力，隨著測量時間的延長，熱焊板焊趾區(qū)的殘余應(yīng)力逐漸增大，在測量7 min后釋放完全。為了驗證盲孔法應(yīng)用于塑料熱焊板殘余應(yīng)力檢測的可行性，對ABS熱焊板母材區(qū)和焊趾區(qū)以及熱處理前后焊趾區(qū)的殘余應(yīng)力進行了測量，同時測試了4種熱焊板的焊接強度，發(fā)現(xiàn)母材區(qū)的殘余應(yīng)力低于焊趾區(qū)，80℃熱處理后焊趾區(qū)的殘余應(yīng)力比熱處理前的低，殘余應(yīng)力較低的熱焊板具有較高的焊接強度，這些結(jié)果均表明盲孔法對塑料熱焊板件殘余應(yīng)力測量結(jié)果具有一定的參考價值。

塑料；盲孔法；殘余應(yīng)力；測量

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）作為一種通用塑料，具有工程塑料的性能，其制品廣泛應(yīng)用于電訊、航空航天、機械制造和運輸?shù)刃袠I(yè)。如果ABS制品結(jié)構(gòu)簡單，可以通過注塑一次成型，如果制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜或尺寸較大，往往難以一次成型，需要進行二次連接。目前，二次連接的方法主要有電氣焊接、熱板焊接、注膠焊接和膠結(jié)連接等。由于經(jīng)濟有效、操作簡單的緣故，熱板焊接在施工現(xiàn)場被廣泛使用。熱板焊接，是采用熱熔對焊機對制品進行加熱，使其熔化，然后迅速將熔融端面貼合，維持一定的壓力，冷卻后達到熱熔焊接的目的，特別適用于成型尺寸較大，需要密封結(jié)構(gòu)的制品。

然而，ABS等塑料熱熔焊接過程是一個受限的非均勻熔融、固化過程，受焊縫附近區(qū)域溫度場的影響，焊件內(nèi)部會出現(xiàn)大小不等、分布不均勻的殘余應(yīng)力場。在制品的應(yīng)用過程中，焊接殘余的內(nèi)應(yīng)力將與工作應(yīng)力相互疊加，使制品發(fā)生翹曲，同時殘余應(yīng)力重新分布，這不但影響制品的美觀和降低焊接結(jié)構(gòu)的強度，還會在溫度或介質(zhì)的共同作用下，影響熱焊連接區(qū)域的抗疲勞性能、抗脆斷能力以及抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力［1-3］。因此，如果可以對熱焊制品進行殘余應(yīng)力的測量，那么就可以從配方設(shè)計、制造工藝和后處理工藝等方面提高熱焊制品的質(zhì)量和壽命。

目前，分析塑料熱焊殘余應(yīng)力的方法主要是深劑法和有限元法。深劑法主要通過將塑料制品在特定深液中浸泡，觀察其裂紋出現(xiàn)的數(shù)量和粗細(xì)，判斷其殘余應(yīng)力情況，但此方法難以定量分析殘余應(yīng)力的大小和方向。有限元法是通過模擬其分布和形成過程，分析熱焊連接過程的瞬時溫度梯度場以及殘余應(yīng)力應(yīng)變場，并計算其應(yīng)力值［4-7］，但是由于熱焊過程的復(fù)雜性以及理論模型的約束性，使得理論值與實測值往往有一定差距，因此，對焊接件進行殘余應(yīng)力的實際測量是十分有必要的。筆者選用操作方便、適合現(xiàn)場測量的盲孔法對4種ABS熱焊板進行殘余應(yīng)力的測量并探討其可行性。

1　實驗部分

1.1主要原材料

ABS（AG15A1，AG10NP）：臺灣化學(xué)纖維股份有限公司；

ABS（DG-MG94）：天津大沽化工股份有限公司；

ABS（518AC）：金發(fā)科技股份有限公司。

以上材料性能參數(shù)如表1所示。

表1　材料性能參數(shù)

1.2主要設(shè)備及儀器

盲孔法應(yīng)力檢測儀：HK21B型，山東華云機電科技有限公司；

磁吸式鉆孔裝置：HK21B，ΙΙ型，山東華云機電科技有限公司；

電子萬能拉力試驗機：Z250型，德國Zwick公司。

1.3試樣制備

ABS焊件采用規(guī)格為80 mm×40 mm×4 mm的矩形板，對接熱焊而成，焊接試件如圖1所示。為了能更準(zhǔn)確地反映盲孔法測量的結(jié)果，選擇了由牌號為DG-MG94，AG15A1，518AC，AG10NP的ABS制備的熱焊板，分別以ABS-1，ABS-2，ABS-3，ABS-4表示。焊接過程中，熱板溫度控制在（285±2）℃。熱焊接工藝過程及參數(shù)設(shè)置如圖2所示，其主要分為加熱階段和固化階段，加熱階段是在P1=10 MPa的壓力下，用熱銅板對矩形板的一側(cè)面加熱t(yī)1=15 s，固化階段是撤去熱銅板后，在P2=10 MPa的壓力下將兩塊矩形板對接冷卻固化，然后再把壓力降到P3=0 MPa，固化總時間為t2=24 s。

圖1　ABS熱板焊接樣件

圖2　熱板焊接工藝過程及參數(shù)設(shè)置

1.4測試與表征

（1）熱焊板殘余應(yīng)力測量。

測量熱焊板殘余應(yīng)力主要分為4個步驟：表面打磨、粘貼應(yīng)變片、連接應(yīng)變計和鉆孔，如圖3所示。應(yīng)變值由應(yīng)變測量儀記錄，將鉆孔后某一段時間下測得的應(yīng)變值ε1（平行于焊縫方向），ε2（與焊縫成45°角的方向），ε3（垂直于焊縫方向）代入公式（1）～（3）可以計算出殘余應(yīng)力中兩個主應(yīng)力σ1，σ2的大小和應(yīng)力產(chǎn)生的方向θ［8］。

圖3　盲孔法測量焊趾區(qū)殘余應(yīng)力的過程

式中：E--材料的拉伸彈性模量；

μ--材料的泊松比；

R--應(yīng)變片的參數(shù)。

（2）熱焊板焊接強度測試。

熱焊板焊接強度按GB/T 1040-2006測試，焊接板尺寸為156 mm×40 mm×4 mm，加載速度10 mm/min，夾具間的距離為100 mm。

2　結(jié)果與討論

2.1ABS熱焊板的殘余應(yīng)力測量

由于熔融聚合物表層和內(nèi)層的冷卻收縮速率不同，熱焊板冷卻后會在焊縫附近的焊趾區(qū)形成較高的熱殘余應(yīng)力場，在焊趾區(qū)鉆一個一定直徑和深度的盲孔后，該區(qū)域殘余應(yīng)力平衡被打破，盲孔將釋放一些殘余應(yīng)力，產(chǎn)生一定量的應(yīng)變。利用應(yīng)變測量儀測出釋放的應(yīng)變，即可利用相應(yīng)的計算公式（1）～（3），計算出該測點釋放的殘余應(yīng)力大小。熱焊板焊趾區(qū)殘余應(yīng)力測點位置如圖4所示，測量結(jié)果如表2和表3所示。

圖4　焊趾區(qū)殘余應(yīng)力測點位置示意圖

表2　不同測量時間下ABS-1和ABS-2熱焊板焊趾區(qū)殘余應(yīng)力的測量結(jié)果

表3　不同測量時間下ABS-3和ABS-4熱焊板焊趾區(qū)殘余應(yīng)力的測量結(jié)果

對于熱焊板，最容易發(fā)生開裂的地方是焊趾區(qū)。根據(jù)表2和表3的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)熱焊板焊趾區(qū)的殘余應(yīng)力值與測量時間有關(guān)，隨著測量時間的增加，殘余應(yīng)力值逐漸變大，這是因為熱焊板中焊趾區(qū)的應(yīng)力場平衡受到破壞，應(yīng)力場在重新調(diào)整的過程中，殘余應(yīng)力逐漸釋放，從而導(dǎo)致其值逐漸變大。測量7 min后，材料的殘余應(yīng)力釋放完全，殘余應(yīng)力值基本保持不變。

在測量7 min后，ABS-1，ABS-2，ABS-3和ABS-4的（|σ1|，|σ2|）分 別為（3 220，2 860），（2 480，1 760），（2 020，1 000）和（3 160，2 340），從測量結(jié)果可以看出，ABS經(jīng)過熱焊成型后焊趾區(qū)積累了較高的殘余應(yīng)力，這可能是由于ABS中的橡膠相分子鏈大，在經(jīng)過快速高壓熔融冷卻后難以及時松弛，從而保留了較高的殘余應(yīng)力。

2.2盲孔法測量塑料熱焊板殘余應(yīng)力的有效性評價

目前，并無非常準(zhǔn)確的方法來完全定量驗證塑料熱焊板殘余應(yīng)力測量的有效性，筆者分別采用3種方法從不同方面對盲孔法測量ABS熱焊板殘余應(yīng)力的有效性進行了評價：塑料熱焊板母材區(qū)和焊趾區(qū)的測量對比；80℃熱處理前后焊趾區(qū)測量對比；塑料熱焊板的焊接強度測量對比。

（1）塑料熱焊板母材區(qū)和焊趾區(qū)的測量對比。

相對于焊趾區(qū)，熱焊板的母材區(qū)距離熱焊縫較遠，難以產(chǎn)生較高的溫度梯度，一般認(rèn)為，距離熱焊縫2 cm的區(qū)域基本不會受到加熱作用而產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力，與焊趾區(qū)相比，其殘余應(yīng)力會處于比較低的水平。以ABS-1為例，對ABS-1熱焊板母材區(qū)和焊趾區(qū)進行了殘余應(yīng)力測量，測點位置如圖5所示，測量結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，測量7 min后，ABS-1母材區(qū)的殘余應(yīng)力值為（270，140），而焊趾區(qū)的殘余應(yīng)力值為（3 220，2 860），母材區(qū)的殘余應(yīng)力遠小于焊趾區(qū)。對其它3種ABS熱焊板進行了相應(yīng)的測量，也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

圖5　ABS-1熱焊板母材區(qū)和焊趾區(qū)測點位置

表4　不同測量時間下ABS-1熱焊板母材區(qū)和焊趾區(qū)殘余應(yīng)力的測量結(jié)果

對塑料熱焊板進行熱處理后，板件中的高分子鏈會得到一定的松弛，焊縫附近區(qū)域的高應(yīng)力場會被削弱，釋放一定量的應(yīng)力，殘余應(yīng)力會重新調(diào)整平衡，內(nèi)應(yīng)力往往較低。以ABS-2為例，對ABS-2未熱處理和熱處理后的殘余應(yīng)力進行了測量，測點位置如圖6所示，測量結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，測量7 min后，熱處理后的殘余應(yīng)力值為（810，930），而未熱處理為（2 480，1 760），熱處理后殘余應(yīng)力較未熱處理大幅下降。對其它3種ABS熱焊板進行了相應(yīng)的測量，也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

圖6　ABS-2熱焊板熱處理前后測點位置

表5　不同測量時間下ABS-2熱處理前后殘余應(yīng)力的測量結(jié)果

（3）塑料熱焊板的焊接強度測量對比。

殘余應(yīng)力的存在會破壞材料的結(jié)構(gòu)，往往會降低焊接的強度。表6為4種ABS熱焊板焊接強度測試結(jié)果。由表6可以看出，ABS-1，ABS-2，ABS-3和ABS-4的焊接強度分別為34.0，38.9，40.1，36.5 MPa，其對應(yīng)的殘余應(yīng)力分別為（3 220，2 860），（2 480，1 760），（2 020，1 000）和 （3 160，2 340），對比ABS熱焊板的焊接強度和殘余應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn)，材料積累的殘余應(yīng)力越大，其焊接強度越低，其與前述的殘余應(yīng)力測量對比結(jié)果一致。

表6　ABS熱焊板的焊接強度 MPa

綜上所述，以上3種方法的驗證結(jié)果表明盲孔法應(yīng)用于塑料熱焊板殘余應(yīng)力的測量結(jié)果具有一定參考價值。

3　結(jié)論

（1）采用盲孔法對ABS熱焊板的焊趾區(qū)進行殘余應(yīng)力測量，發(fā)現(xiàn)ABS經(jīng)過熱焊成型后容易在焊趾區(qū)積累較高的殘余應(yīng)力，并且殘余應(yīng)力的釋放與測量時間有關(guān)，隨著測量時間的延長，殘余應(yīng)力逐漸增大，在測量7 min后釋放完全。

（2） ABS熱焊板母材區(qū)的殘余應(yīng)力低于焊趾區(qū)、80℃熱處理后熱焊板的殘余應(yīng)力較熱處理前的低，殘余應(yīng)力高的熱焊板的焊接強度較低，以上結(jié)果均表明盲孔法對于ABS熱焊殘余應(yīng)力的測量具有一定的可行性。

［1］ 李文學(xué)，王曉華.PVC塑料門窗型材焊縫開裂原因分析［J］.工程塑料應(yīng)用，2011，39（9）：53-54. Li Wenxue，Wang Xiaohua.Reasons analysis of weld craking of PVC plastic door and window profile［J］.Engineering Plastics Application，2011，39（9）：53-54.

［2］ 庫媛.超聲波焊接參數(shù)對PP-ABS接頭抗拉強度的影響［D］.吉林：吉林大學(xué)，2014. Ku Yuan.Ιnfluence of ultrasonic welding parameters on the tensile strength of the joints between PP and ABS［D］.Jilin：Jilin University，2014.

［3］ 王志禹.淺談塑料門窗焊角開裂成因和預(yù)防措施［J］.山西建筑，2011，37（29）：191-192. Wang Zhiyu.On reasons for cracks on welded angles of plastic windows and doors and prevention measures［J］.Shanxi Architecture，2011，37（29）：191-192.

［4］ 劉恒.注塑成型制品殘余應(yīng)力和模后收縮的數(shù)值模擬［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2011. Liu Heng.Numerical simulation of residual stress and shrinkage after ejection for injection molded parts［D］.Zhengzhou：Zhengzhou University，2011.

［5］ 劉紅，陳先立，蔣蘭芳，等.注塑件去應(yīng)力過程數(shù)值模擬［J］.塑料工業(yè)，2007，23（6）：16-19. Liu Hong，Chen Xianli，Jiang Lanfang，et al.Numerical simulation on reducing residual stress methods of injection molding products［J］.China Plastics Ιndustry，2007，23（6）：16-19.

［6］ 王韜，顏悅.注塑件殘余應(yīng)力數(shù)值模擬分析及工藝優(yōu)化［J］.塑料工業(yè)，2012，40（12）：42-45. Wang Tao，Yan Yue.Numerical simulation analysis and process optimization of the plastic residual stress［J］.China Plastics Ιndustry，2012，40（12）：42-45.

［7］ Azaman M D，Sapuan S M，Sulaiman S，et al.Numerical simulation analysis of the incavity residual stress distribution of lignocellulosic（wood） polymer composites used in shallow thinwalled parts formed by the injection moulding process［J］.Materials and Design，2014，55：381-386.

［8］ 谷侃鋒.高密度聚乙烯壓力管道熱板焊接接頭應(yīng)力場有限元模擬［D］.沈陽：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，2003. Gu Kanfeng.Numerical simulation of hot plate welding stress strain in high-density polyethylene［D］.Shenyang：Shenyang Ιnstitute of Automation Chinese Academy of Sciences，2003.

Measurement on Residual Stress of Thermal Welding ABS Plates by Blind Hole Method

Xia Jianmeng1， Huang Chiguang1， Xu Jingwei1，2， Wang Lulin1，2， Hu Fuyu1， Yang Ming1
（1. Shanghai Kingfa Science and Technology Co. Ltd.， Shanghai 201714， China； 2. National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing， Kingfa Science and Technology Co. Ltd.， Guangzhou 510663， China）

A blind hole method was introduced to measure residual stress of thermal welding plastic plates including four kinds of ABS plates，the residual stress values of welded toe zones of the thermal welding plastic plates were gained. The results show that after welding，the higher residual stress is easy to form in the welded toe zone of ABS plates，with increase of measuring time，the residual stresses of the welded toe zones increase and release completely after measuring 7 min. Ιn order to investigate the feasibility of applying the blind hole method to the measurement on the residual stress of plastics，the residual stresses of base zones and welded toe zones of ABS as well as the residual stresses of welded toe zones of ABS before and after heat treatment were measured，meanwhile， the welding strengths of the four kinds of ABS plates were determined. Ιt is presented that the residual stresses of base zones are lower than those of welded toe zones，and the welded toe zones treated at 80℃ have lower residual stresses， the welding ABS plates with low residual stress have high welding strength，which show that the blind hole method can be reference for measurement on residual stress of thermal welding plastic plates.

plastic；blind hole method；residual stress；measurement

TG404

A

1001-3539（2016）03-0096-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.03.019

聯(lián)系人：黃池光，碩士，主要從事改性塑料研究

2015-12-11