短切玻纖增強聚丙烯激光焊接性能的影響因素

謝正瑞，陳延安

(1.上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714；2.上海工程塑料功能化工程技術研究中心，上海 201714；3.金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術中心，廣州 510520)

在工業(yè)生產中，將多個簡單零件組合連接成復雜零件的情況非常常見[1-3]。在傳統(tǒng)塑料件的連接方法中，通過機械緊固和膠粘劑連接后接頭處的密封性和強度都較低。隨著現代塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，激光焊接工藝以其經濟、簡單、快捷、可靠等特點實現了整體和復雜結構的緊密連接。激光焊接工藝十分符合大批量生產方式，已成為熱塑性塑料件連接的主要選擇。隨著近些年激光焊接設備和焊接工藝的發(fā)展，激光焊接在汽車零部件的連接中逐漸開始應用[4]。

Ghorbe 等[5]對聚丙烯(PP)的激光焊接進行了研究，討論了工藝參數對焊縫幾何形狀、缺陷和材料結晶度分布的影響。結果表明，增加激光功率和減小掃描速度后形成的焊接區(qū)域體積更大，焊縫熔池深度也更深。張振珠[6]研究了汽車用PP 的激光焊接工藝，其最優(yōu)焊接工藝焊縫滿足密封性要求。劉保光等[7]研究了激光焊接車用聚甲基丙烯酸甲酯的工藝優(yōu)化。秦玉潔等[8-9]在聚合物樹脂中加入苝系黑色顏料，開發(fā)出一種激光透過率高、高耐候和外觀良好的改性塑料，同時研究了PP、彈性體和填料等組分對材料激光焊接性能的影響。工程塑料尼龍以及其它聚合物的激光焊接性能已經得到廣泛的研究[10-15]。

隨著汽車輕量化發(fā)展，短切玻纖(GF)增強聚丙烯(PP)得到廣泛應用，目前對短GF 增強PP 激光焊接的研究較少。為進一步了解短GF 增強PP 的激光焊接性能及激光透光性，筆者對短GF 增強PP焊接后的剪切應力和透光率的影響因素(基體樹脂種類、成核劑和透明劑種類、短切GF 種類及含量以及有機色粉種類)進行了分析，同時考察了焊接工藝(焊接功率和焊接速度)對短GF 增強PP 焊接后的剪切應力的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

均聚PP：homo-PP1 [熔體流動速率(MFR)=3.0 g/(10 min)]，homo-PP2 [MFR=10 g/(10 min)]，homo-PP3 [MFR=30 g/(10 min)]，中海殼牌石油化工有限公司；

共聚PP：co-PP1 [MFR=10 g/(10 min)]，co-PP2 [MFR=30 g/(10 min)]，埃克森美孚化工有限公司；

增容劑：CA100，上海壯景化工有限公司；

黑色母粒：2772KF，卡博特(中國)投資有限公司；

短切GF：248A-13C-4MM (直徑13 μm，長度4.5 mm)，249A-10C-4MM (直徑10 μm，長度4.5 mm)，歐文斯科寧復合材料(中國)有限公司；

抗氧劑：225G，臨沂三豐化工有限公司；

羧酸金屬鹽類成核劑(HPN-68L，HPN-20E)、山梨醇類透明成核劑(NX8000K)：美利肯商貿(上海)有限公司；

紅色粉：R203，浙江永泉化學有限公司；

紅色粉：R252，上海田銳貿易有限公司；

紅色粉：3840SQ，巴斯夫化工有限公司；

黃色粉：Y016，Y106，Y107，卡博特(中國)投資有限公司；

酞箐藍：BF1535，L302，深圳市鼎泰化工有限公司；

酞箐綠：706K，深圳市鼎泰化工有限公司；

抗氧劑(1010，168)、潤滑劑(2818)：市售。

1.2 主要設備與儀器

雙螺桿擠出機：SHJ-30 型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

注塑機：HTB80 型，寧波海天機械有限公司；

激光焊接儀：WFD120 W-PCTS333 SP 型，深圳市大族激光科技股份有限公司；

透光率測試儀：LPKF-TMG3 型，天津賽力斯自動化科技有限公司；

萬能試驗機：Z-010 型，德國Zwick Roell 集團。

1.3 試樣制備

按實驗配方比例分別稱取一定量的PP 樹脂和助劑，先預混，再用攪拌機在500 r/min 下高速混合5 min，由雙螺桿擠出機擠出、造粒、干燥，制備料粒，擠出工藝為：主機一區(qū)溫度為100℃，二區(qū)至十區(qū)溫度均為200℃，主機轉速為450 r/min。然后在注塑溫度為220℃條件下，注塑成50 mm×70 mm×1 mm 試樣用于透光率測試；注塑成10 mm×10 mm×1.6 mm 試樣作為激光焊接實驗上層透光試樣。在上述實驗配方中添加1 份黑色母粒2772KF 作為焊接下層材料配方，用同樣的方式注塑成10 mm×10 mm×1.6 mm 試樣作為下層焊接試樣，在不同焊接工藝下，使用激光焊接儀將上層透光試樣與下層焊接試樣焊接在一起，用于焊接強度測試，激光波長為915 nm；注塑拉伸試樣用于拉伸性能測試。

1.4 性能測試和表征

透光率測試：使用透光率測試儀測試50 mm×70 mm×1 mm 試樣在915 nm 下的透光率；

焊接強度測試：使用焊接后的剪切應力表征焊接強度，按照ISO 4587-2003 測試，測試速度為50 mm/min，測試溫度為23℃；

密度按照ISO 1183-2016 測試；

MFR 按照ISO 1133-2011 測試，測試條件為230℃，2.16 kg；

拉伸性能按照ISO 527-2016 測試，拉伸速率為10 mm/min。

2 結果與討論

2.1 焊接工藝對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力的影響

不同焊接工藝的短切GF 增強PP 配方見表1，焊接工藝見表2，制備測試試樣，分析焊接工藝對試樣焊接后的剪切應力的影響，結果分別如圖1、圖2所示。

表1 不同焊接工藝時短切GF 增強PP 配方

表2 短切GF 增強PP 焊接工藝

圖1 不同焊接功率下焊接后的剪切應力

圖2 不同焊接速度下焊接后的剪切應力

由圖1 可以看出，隨著焊接功率的提高，短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力呈現先增加后減小的趨勢，在焊接功率為25 W 時，焊接后的剪切應力達到最高值(800 N)。焊接功率提高意味著單位時間透過能量的增加，提高了焊接質量，但是焊接功率過高反而會造成本體破壞，影響焊接質量。由圖2 可以看出，隨著焊接速度的增加，短切GF 增強PP焊接后的剪切應力降低。綜合考慮，最優(yōu)的焊接工藝為：焊接功率25 W，焊接速度20 mm/s。后續(xù)實驗選擇的焊接工藝均為：焊接功率25 W，焊接速度20 mm/s。

2.2 基體樹脂種類對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力及透光率的影響

采用不同基體樹脂時，短切GF 增強PP 配方見表3，制備測試試樣，相應的密度、MFR 和拉伸性能測試結果見表4，采用不同流動性基體樹脂對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力的影響如圖3 所示。

表3 采用不同基體樹脂時短切GF 增強PP 配方 %

表4 采用不同基體樹脂時短切GF 增強PP 的密度、MFR 和拉伸性能測試結果

圖3 采用不同基體樹脂時短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力

由表4 可以看出，隨著均聚PP 或共聚PP 基體樹脂流動性的增加，短切GF 增強PP 的密度稍有減小，MFR 增大，拉伸強度總體有所增大，斷裂伸長率減小，在915 nm 波長處的透光率沒有明顯變化，使用均聚PP 制備的短切GF 增強PP 的透光率為74.3%～75.5%，使用共聚PP 制備的短切GF 增強PP 的透光率為56.1%～56.2%，前者的透光率明顯高于后者，這主要是由于共聚PP 中乙丙無規(guī)共聚物相的存在降低了其結晶度，造成光散射引起透光率下降。由圖3 可以看出，隨著均聚PP 或共聚PP基體樹脂流動性的增加，短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力均增大，相比使用均聚PP 制備的短切GF增強PP，使用共聚PP 制備的短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力較高。材料的焊接強度與使用樹脂的類型有關，主要由樹脂在焊接后形成的焊接熔池深度決定[16]。共聚PP 在焊接過程中形成的熔池深度較深，所以焊接后的剪切應力較大。

2.3 成核劑種類對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力及透光率的影響

綜合考慮短切GF 增強PP 的加工以及力學性能，選擇2#配方作為基礎配方，添加不同成核劑的短切GF 增強PP 的配方見表5，制備測試試樣，相應的密度、MFR、拉伸性能和透光率測試結果見表6，添加不同成核劑對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力的影響如圖4 所示。

表5 添加不同成核劑時短切GF 增強PP 配方 %

表6 添加不同成核劑時短切GF 增強PP 的密度、MFR、拉伸性能和透光率測試結果

圖4 添加不同成核劑時短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力

由表5、表6 可以看出，添加成核劑質量分數為0.1%時，短切GF 增強PP 的密度、拉伸性能和MFR 均沒有明顯變化，在915 nm 處的透光率均在74%左右，無明顯差異；由圖4 可以看出，添加不同成核劑對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力沒有明顯影響。

2.4 短切GF 種類及含量對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力及透光率的影響

以2#配方為基礎配方，添加不同短切GF 及含量的短切GF 增強PP 的配方見表7，制備測試試樣，相應的密度、MFR 和拉伸性能測試結果見表8，添加不同短切GF 及含量對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率的影響如圖5 所示。

表7 添加不同短切GF 及含量時短切GF 增強PP 配方 %

表8 添加不同短切GF 及含量時短切GF 增強PP的密度、MFR 和拉伸性能測試結果

圖5 添加不同短切GF 及含量時短切GF 增強PP 的透光率和焊接后的剪切應力

由表8 可以看出，短切GF 增強PP 的密度、MFR 和拉伸性能均隨著短切GF 及含量的不同而發(fā)生變化。由圖5 可以看出，當短切GF (248A-13C-4MM)質量分數從10%到30%時，試樣的透光率明顯下降，在915 nm 處的透光率由9#試樣的77.2%下降到10#試樣的72.3%，這是由于短切GF含量的增加影響其在基體中對光的散射作用，從而降低了透光率。當短切GF 直徑由248A-13C-4MM的13 μm 降低到249A-10C-4MM 的10 μm 時，試樣的透光率由10#試樣的72.3%提高至10#試樣的73.5%。當短切GF (248A-13C-4MM)質量分數由10%提升到20%時，由于短切GF 含量的增加，使得焊接處的短切GF 增多，從而提升了2#試樣焊接后的剪切應力，但是當短切GF 質量分數提高到30%時，由于透光率下降，10#試樣焊接后的剪切應力降低。

2.5 色粉對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力及透光率的影響

在實際應用中，汽車用材料大部分需要進行配色，一般的碳黑對光線有強吸收，不能作為激光焊接材料的色粉，所以常使用進口苝系色粉。但是不同色粉對材料透光率的影響研究較少，以2#配方為基礎配方，添加不同色粉時短切GF 增強PP 的配方見表9，制備測試試樣，添加不同色粉對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率的影響如圖6 所示。

表9 添加不同色粉時短切GF 增強PP 配方

圖6 添加不同色粉時短切GF 增強PP 的透光率和焊接后的剪切應力

由圖6 可以看出，添加紅色粉和黃色粉的短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率較高，添加R203，R252，3840SQ，Y016，Y106，Y107 的試樣焊接后的剪切應力分別為810，800，875，880，810，780 N，透光率分別為70%，68%，77%，78%，71%，66%；而添加酞箐藍和酞箐綠的較低，添加L302，BF1535，706K 的試樣焊接后的剪切應力分別為690，700，710 N，透光率分別為53%，55%，56%。

3 結論

對短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率進行實驗，初步考察了影響短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率的因素，得到以下結論：

(1)焊接工藝實驗結果表明，最優(yōu)工藝為功率25 W，速度20 mm/s。

(2)由共聚PP 制備的短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力大于均聚PP，但均聚PP 制備的短切GF增強PP 的激光透過率高于共聚PP，同時基體樹脂流動性高有利于提升試樣焊接后的剪切應力。

(3)隨著短切GF 含量的增加，短切GF 增強PP焊接后的剪切應力呈現先增加后降低的趨勢，透光率降低；短切GF 直徑降低有利于提高短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率。

(4)添加紅色粉和黃色粉的短切GF 增強PP 焊接后的剪切應力和透光率較高，而添加酞箐藍和酞箐綠的較低。