超声波焊接接头的微观结构

　　热塑性塑料的超声波焊接接头的强度与接头的微观结构有很大的关系,而焊点位置的热影响区与焊接时的温度分布有关。Bates等人认为对于超声波焊接,在较低的压力下焊接,会造成较后的热影响区(HeatAffectedZone,HAZ)。超声波焊接时接头的融合厚度越大,热影响区也越厚,焊合位置就会有更多的分子链和高分子晶粒垂直于焊缝,这样接头的强度就会提高[33]。Kemal发现在较低的压力下,振幅的增加热影响区的厚度增加,但是在较高的压力下,随着振的增加,热影响区的厚度下降。作者认为,在较低的压力下,振幅的增加会让焊接时的焊点的温度更多的高于材料的熔化温度。所以在较低压力下,焊点处的热影响区厚度会随着振的增加而增大。但是在较高的压力下,随着振幅的增加,焊点处会有更大的剪切率。因此热影响区温度较高材料会随着融化料一同流出焊缝,尤其在振动停止后[34]。

1.   焊缝的微观结构

　　使用偏光显微镜观察可以将对热影响区的结构进行区分,如图1.5所示。第一个区域是靠内区域(lnnerzone),这里紧挨着熔化线,焊接结束后热量传导流失,快速冷却,看不到任何结晶结构。第二个是再接晶区域(Recrystanizedz前e),可以看出高分子晶粒。第三个是变形区域(Def:)rmidspherulites),这时的晶粒很小。第四个是基体区域。schlarb[35]对聚丙烯均聚物进行不同参数的焊接,发现压力的提高会影响热影响区的结构。在低的压力下(0.5MPa),焊接面有靠内下(2.0MPa),就只有靠内区和变形区(图l.5b),再接晶区可能不会出现。而且低压力下,焊缝的厚度要比高压力下的厚度大,同时接头的强度也更高。

2.碳纤维的影响

　　在现代制造中,常常将碳纤维加入热塑性材料中来提高材料性能,而复合材料中,纤维对超声波焊接的强度有度有很大的影响。Liu[36]等发现,对玻纤维增强聚丙烯复合材料进行超声波焊接所需的尼量比未复合聚丙烯少。而且随着玻纤维含量的增加,焊接的强度提高。Kagan[37]等发现当玻纤维体积分数在l4-25%,对接接头的强度高于基体,玻纤纤能够起到增强焊接强度的作用。在焊接过程中,材料熔化,热影响区的纤维重新布。Lockwood[38]等发现纤维取向垂直于焊合面,这能有效的提高玻纤维尼龙6焊接接头的强度。较厚的焊合层能够提高纤维垂直分布的概率,因此可以提高焊接强度,并使焊件的抗疲劳性能提高。Kamal[34]等认为焊接参数对融合区纤维的取向影响,在较大的焊接压力下,熔融层的厚度很小,纤维将会沿着融料的流动分布。当压力较小时,熔融层较厚,短纤维就会沿其它方向流动,这样就会有纤维垂直于融料的流动方向。这些纤维就起到了提高焊接强度的作用。另外,纤维的加入能够提高高分子材料的硬度,有利于声波的传递,使用合适的焊接参数能使焊接强度得到很大提高。

3. 气孔和材料降解

在超声波焊接的过程中,焊接位置的温度会升高,当高于材料的分解温度时,材料会降解并产生气体,这在接头位置产生气孔,影响接头的强度。Stokes[39]等发现在压力较小时,气孔就会出现在融合区。因为融合区压力的变化,气孔的数量从焊缝中问到焊缝边缘渐渐增加。焊接时,压力对熔化区的作用最大,逐渐靠近基体区,压力下降至大气压,所以气孔的分布受压力分布的影响。另外,在焊合区温度的增加会使材料吸收的水分散发出来。所以,较高的焊接压力就可以使熔合区的气孔也减少,压力增加时,气孔会向融合区的边缘移动,当使用更高的压力时,在焊接区域就观察不到气孔的存在。对于碳纤维尼龙复合材料,在焊接时由于温度的升高,尼龙的降解也会使焊接的强度下降。