振动摩擦焊接原理和焊缝设计（中）-- 材料

　　3 材料

　　3.1 热塑性塑料

　　热塑性塑料是由单体重复连接形成的长链分子组成，其一个重要特性是加热软化和熔化，冷却凝固和硬化。当同种材料的两个塑料零件焊接时，分子链扩散到界面上，相互缠绕形成化学键，见图1。

塑料连接来自分子链扩散和化学键形成。该原理适用于热塑性材料的所有焊接技术。

　　图1 焊接过程中的分子链扩散和缠绕结合

　　热塑性塑料的热传导率低，使得材料熔融后的冷却速率足够低，从而形成强化学键。与金属焊接大大不同，金属热传导率高，热量很快传递出去。

　　几乎所有的热塑性材料都可以采用振动摩擦焊接，包括结晶，无定形、填充、发泡和增强型塑料。无定形塑料如PC，比半结晶更容易焊接。该工艺不适合于非常柔软的材料如TPC。热固性塑料不能焊接，因为其分子链已经发生化学交联，无法扩散。

　　3.2 材料种类和组成

　　材料的类型和添加剂对焊接性能有显著影响。

　　材料类型影响焊接强度，见图2。图中列出了PA6 GF30，PA46 GF30，PA66 GF30，PPA GF30振动摩擦焊接强度对比。

　　材料粘度影响焊接强度。较高粘度能够促进熔融状态下的材料分子快速扩散和缠绕结合。

　　玻璃纤维，详见下一节。

　　添加剂。一些添加剂会影响结晶速率。例如，炭黑色粉加速结晶，而黑色染料减缓结晶过程。一般来说，结晶速率慢有助于提高焊接质量，因为其允许在更多的时间里进行分子链化学连接。

　　含水量。放置了长时间的塑料含水量会增加。导致焊接后焊缝区域形成气泡，减少焊接强度。 因此为了避免气泡的形成，在焊接前需要对零件进行干燥处理。

　　图2 塑料种类对焊接强度的影响

　　3.3 玻纤增强型材料

　　含玻璃纤维的塑料与纯树脂塑料的焊接行为相似。不过，含玻纤塑料的焊接需要更多时间，才能进入稳态流动阶段。对于含30%玻纤塑料，其焊接强度明显低于本体强度。为什么会发生这种情况?是因为摩擦振动引起玻璃纤维排布方向发生了改变。

　　由于施加压力，熔融材料被横向挤压出来，玻璃纤维也参与了流动。在焊接结束后，玻璃纤维排列方向发生变化，垂直于拉伸方向。这种不利的排列方向是导致焊接强度降低的原因。也导致焊缝处断裂。

　　图3对比了焊接件和非焊接件的断口电镜扫描，试验棒材料PA6 GF30。焊接件断口位置在焊缝区域。这些电镜扫描照片表明，焊接件的焊缝区域纤维取向主要在断裂的平面上;而非焊接件的纤维取向是垂直于断裂平面，导致大量的纤维拔出，从而产生较高的强度。因此焊缝不像本体材料那么坚固，它接近未填充PA6的性能。

　　图3 焊接件和非焊接件的断口电镜扫描

　　3.4 材料的焊接相容性

　　由于分子链在界面上的扩散是形成强键的必要条件，所以熔融材料的分子流动性，以及焊缝两侧分子之间的相容性很重要。一般情况下，焊接的两个零件建议使用相同或者类似的材料。

　　然而，只要材料具有一定程度的相容性，不同材料的焊接仍然是可能的。

　　例如，PA6、PA 66和PA 46在熔融状态下是可混合的，PBT和PET在熔化温度以上也是可混合的。PC与PET仅部分可混合，因为两者之间发生相容的化学反应(酯交换)。表1列出了不同聚合物材料焊接的相容性，其中+代表可焊接。