材料濕度對超聲波焊接質(zhì)量的影響分析*

徐中，黃禹，丁斌，陳志

（1.華中科技大學(xué)制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074；2.廣東 威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305）

材料濕度對超聲波焊接質(zhì)量的
影響分析*

徐中1，黃禹1，2丁斌2，陳志1

（1.華中科技大學(xué)制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074；2.廣東 威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305）

超聲波焊接加工尼龍等高分子聚合物材料時(shí)，材料含濕率對焊接強(qiáng)度與焊接時(shí)間長短有著顯著的影響。采用單因素分析方法，分析了材料含濕率對焊接質(zhì)量及焊接過程的影響。結(jié)果表明當(dāng)材料含濕率增加時(shí)，焊接強(qiáng)度將下降，而焊接時(shí)間則呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)論為進(jìn)一步提升超聲波焊接質(zhì)量提供了依據(jù)。

超聲波焊接；焊接質(zhì)量；材料濕度；因素分析

塑料超聲波焊接憑借焊接時(shí)間短、焊縫質(zhì)量高的特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于熱塑性材料的焊接。焊縫結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度是超聲波焊接焊縫的兩個(gè)重要考量指標(biāo)，其受到眾多因素的影響。焊接材料的特性對于焊接加工過程有著直接的影響，對于高分子材料，例如尼龍，材料的含濕率對其材料特性具有顯著的影響［1-3］，進(jìn)而可能影響到焊接得到的焊縫質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中焊接原材料易受到貯藏、加工環(huán)境濕度的影響而引起其含濕率的較大變化，為了得到較為穩(wěn)定的焊縫，以尼龍作為焊接材料，分析了其不同含濕率下，焊接得到的焊縫質(zhì)量與焊接時(shí)間，探究其含濕率是否會對焊接加工質(zhì)量具有顯著的影響，進(jìn)而為實(shí)際加工提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 超聲波焊接特性

塑料超聲波焊接過程中，高頻機(jī)械振動傳導(dǎo)到焊接表面，焊接表面上的質(zhì)點(diǎn)因超聲波激發(fā)而快速振動，產(chǎn)生摩擦， 釋放出大量的熱，加之塑料導(dǎo)熱性差，熱量不易散發(fā)，便在焊接處形成局部高溫，實(shí)現(xiàn)焊接加工［4，5］。塑料材料能否焊接與其材料特性具有密切的關(guān)系，其可焊性可用公式1表征［6］。

G = K·E·λ·μ/ρ·C·t（W/m2·K）（1）

其中，

G——塑料材料的可焊性；

K——焊件形狀因子，取決于焊件的壁厚、尺寸大小及焊頭的形狀尺寸；

E——塑料的彈性模量，GN/m2；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

μ——塑料的摩擦系數(shù)；

ρ——塑料的密度，kg/m3；

C——比熱，J/kg·K；

t——熔點(diǎn)，K。

從上式可以看出塑料材料的可焊性與其彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、摩擦系數(shù)成正比，而與其密度、比熱容及熔點(diǎn)成反比。

尼龍等高分子聚合物材料具有許多優(yōu)良的特性，但由于碳酰胺?。ā狢O—NH—），其具有較強(qiáng)的親水性。水分子會導(dǎo)致氫鍵連接強(qiáng)度的削弱，隨著尼龍材料含濕率的增加，其材料性能也會隨之改變［2］。研究表明尼龍66的含濕率會影響其剛度和阻尼特性，而在超聲波焊接加工中，材料阻尼越大越有利于振動能量向熱能的轉(zhuǎn)化，但當(dāng)材料阻尼過大時(shí)，也會導(dǎo)致振動能量被吸收而無法實(shí)現(xiàn)焊接［7］，因此如何確定適宜的材料含濕率以保證材料的可焊性就尤為重要。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究材料含濕率對超聲波焊接過程的影響，選用尼龍6作為焊接用材料，設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)。為獲得不同含濕率的樣件，將樣件分別置于不同濕度的環(huán)境中，而其余條件（溫度，時(shí)間）均相同，采用相對重量比率來控制材料的含濕率，多次稱重以保證材料含濕率的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中樣件含濕率預(yù)處理如表1所示。焊接用樣件如圖1所示，采用注射制模方法得到。

表1　樣件含濕率預(yù)處理

圖1　焊接樣件

焊接加工中，各組超聲波焊接參數(shù)保持不變，參數(shù)設(shè)置如下：焊接頻率20 kHz，焊接幅值30 μm，焊接壓力2.2 N/mm2，焊縫長度0.7 mm，以達(dá)到理性焊縫的焊接時(shí)間及焊縫強(qiáng)度為考量指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

2.2結(jié)果分析

如圖2所示為焊縫強(qiáng)度與材料含濕率之間的關(guān)系圖，從圖中可以看出材料含濕率對焊接強(qiáng)度具有較為顯著的影響，沒有做任何處理的樣件焊接得到的焊縫強(qiáng)度最大，而隨著材料含濕率的增大其焊縫強(qiáng)度逐漸減少。材料含濕率為0.6%時(shí)，焊縫強(qiáng)度即開始大幅降低，當(dāng)材料含濕率在1.7%～3.4%之間時(shí)，焊縫強(qiáng)度繼續(xù)下降但基本維持不變，而材料含濕率從3.4%～7.7%時(shí)，焊縫強(qiáng)度又大為降低。通過顯微鏡對焊縫結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行觀察，如圖3所示，可以看到在焊接區(qū)域存在孔隙，而材料含濕率越大現(xiàn)象越明顯，材料濕度導(dǎo)致焊縫區(qū)域孔隙的產(chǎn)生，降低了焊縫強(qiáng)度。圖3中材料含濕率最大時(shí)（7.7%），還可以發(fā)現(xiàn)其焊縫厚度較其它組更薄，焊縫強(qiáng)度與厚度也是具有直接關(guān)系的［8］，這進(jìn)一步降低了焊縫強(qiáng)度。

圖2　材料含濕率與焊縫強(qiáng)度關(guān)系

圖3　焊縫微觀組織

3 結(jié)語

通過不同含濕率材料的超聲波焊接實(shí)驗(yàn)，分析了材料含濕率對焊接焊縫強(qiáng)度與焊接時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料含濕率對焊接得到的焊縫強(qiáng)度有較為顯著的影響，這是因?yàn)椴牧蠞穸仍诤缚p中形成孔隙導(dǎo)致的；同樣材料含濕率對焊接過程也有較為顯著的影響，隨著材料含濕率的增大，其焊接所需的時(shí)間呈現(xiàn)

先增大后下降的特點(diǎn)，通過焊接時(shí)間可以大致判斷材料的含濕率進(jìn)而可以預(yù)判焊接得到的焊縫質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論對于實(shí)際加工具有一定的借鑒作用，有利于提升超聲波焊接質(zhì)量。

圖4　材料含濕率與焊接時(shí)間關(guān)系

［1］ 鄭高飛，等， 高分子材料濕度含量對其力學(xué)性能的影響的實(shí)驗(yàn)研究. 實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2003.18（1）: 23～28.

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（P-01）

Effect of material humidity on ultrasonic welding quality

TG409

1009-797X（2016）10-0026-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.008

徐中（1992-），男，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，特種加工。

2016-04-07

家電送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造的數(shù)字化、智能化技術(shù)研究與應(yīng)用項(xiàng)目（2013CXTD01）；貫流風(fēng)扇葉超聲波焊接機(jī)器人研發(fā)及柔性生產(chǎn)線示范（2013AH100013）。