超聲波焊接接頭的微觀結構

超聲波焊接接頭的微觀結構

　　熱塑性塑料的超聲波焊接接頭的強度與接頭的微觀結構有很大的關系,而焊點位置的熱影響區與焊接時的溫度分布有關。Bates等人認為對于超聲波焊接,在較低的壓力下焊接,會造成較后的熱影響區(HeatAffectedZone,HAZ)。超聲波焊接時接頭的融合厚度越大,熱影響區也越厚,焊合位置就會有更多的分子鏈和高分子晶粒垂直于焊縫,這樣接頭的強度就會提高[33]。Kemal發現在較低的壓力下,振幅的增加熱影響區的厚度增加,但是在較高的壓力下,隨著振的增加,熱影響區的厚度下降。作者認為,在較低的壓力下,振幅的增加會讓焊接時的焊點的溫度更多的高于材料的熔化溫度。所以在較低壓力下,焊點處的熱影響區厚度會隨著振的增加而增大。但是在較高的壓力下,隨著振幅的增加,焊點處會有更大的剪切率。因此熱影響區溫度較高材料會隨著融化料一同流出焊縫,尤其在振動停止后[34]。

1.   焊縫的微觀結構

　　使用偏光顯微鏡觀察可以將對熱影響區的結構進行區分,如圖1.5所示。第一個區域是靠內區域(lnnerzone),這里緊挨著熔化線,焊接結束后熱量傳導流失,快速冷卻,看不到任何結晶結構。第二個是再接晶區域(Recrystanizedz前e),可以看出高分子晶粒。第三個是變形區域(Def:)rmidspherulites),這時的晶粒很小。第四個是基體區域。schlarb[35]對聚丙烯均聚物進行不同參數的焊接,發現壓力的提高會影響熱影響區的結構。在低的壓力下(0.5MPa),焊接面有靠內下(2.0MPa),就只有靠內區和變形區(圖l.5b),再接晶區可能不會出現。而且低壓力下,焊縫的厚度要比高壓力下的厚度大,同時接頭的強度也更高。

2.碳纖維的影響

　　在現代制造中,常常將碳纖維加入熱塑性材料中來提高材料性能,而復合材料中,纖維對超聲波焊接的強度有度有很大的影響。Liu[36]等發現,對玻纖維增強聚丙烯復合材料進行超聲波焊接所需的尼量比未復合聚丙烯少。而且隨著玻纖維含量的增加,焊接的強度提高。Kagan[37]等發現當玻纖維體積分數在l4-25%,對接接頭的強度高于基體,玻纖纖能夠起到增強焊接強度的作用。在焊接過程中,材料熔化,熱影響區的纖維重新布。Lockwood[38]等發現纖維取向垂直于焊合面,這能有效的提高玻纖維尼龍6焊接接頭的強度。較厚的焊合層能夠提高纖維垂直分布的概率,因此可以提高焊接強度,并使焊件的抗疲勞性能提高。Kamal[34]等認為焊接參數對融合區纖維的取向影響,在較大的焊接壓力下,熔融層的厚度很小,纖維將會沿著融料的流動分布。當壓力較小時,熔融層較厚,短纖維就會沿其它方向流動,這樣就會有纖維垂直于融料的流動方向。這些纖維就起到了提高焊接強度的作用。另外,纖維的加入能夠提高高分子材料的硬度,有利于聲波的傳遞,使用合適的焊接參數能使焊接強度得到很大提高。

3. 氣孔和材料降解

在超聲波焊接的過程中,焊接位置的溫度會升高,當高于材料的分解溫度時,材料會降解并產生氣體,這在接頭位置產生氣孔,影響接頭的強度。Stokes[39]等發現在壓力較小時,氣孔就會出現在融合區。因為融合區壓力的變化,氣孔的數量從焊縫中問到焊縫邊緣漸漸增加。焊接時,壓力對熔化區的作用最大,逐漸靠近基體區,壓力下降至大氣壓,所以氣孔的分布受壓力分布的影響。另外,在焊合區溫度的增加會使材料吸收的水分散發出來。所以,較高的焊接壓力就可以使熔合區的氣孔也減少,壓力增加時,氣孔會向融合區的邊緣移動,當使用更高的壓力時,在焊接區域就觀察不到氣孔的存在。對于碳纖維尼龍復合材料,在焊接時由于溫度的升高,尼龍的降解也會使焊接的強度下降。