周華龍，張永，王豐，易新，鄭一泉，丁超

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714)

玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6振動摩擦焊接強(qiáng)度的影響因素

周華龍，張永，王豐，易新，鄭一泉，丁超

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714)

研究了玻璃纖維含量、苯胺黑色母含量、樹脂相對黏度、焊接工藝(深度、振幅、壓力)等因素對玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6 (PA6)焊接強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，玻璃纖維含量為30%的玻璃纖維增強(qiáng)PA6具有最大的焊接強(qiáng)度，為58.0 MPa；通過差示掃描量熱分析發(fā)現(xiàn)，加入3%的苯胺黑色母能使玻璃纖維增強(qiáng)PA6的結(jié)晶溫度從191.8℃降至173.7℃，但對焊接強(qiáng)度影響較??；隨著樹脂相對黏度從2.0提高到3.4，玻璃纖維增強(qiáng)PA6的結(jié)晶度從27.1%下降至16.2%，焊接強(qiáng)度略有提升；焊接工藝參數(shù)對玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度影響較大的是振幅與焊接壓力，振幅為0.4 mm時，焊接不充分，焊接強(qiáng)度僅為38.8 MPa，振幅為0.7 mm時，能充分焊接，焊接強(qiáng)度增至55.5 MPa，隨著焊接壓力從3.5 MPa提升到9.0 MPa，焊接強(qiáng)度從56.3 MPa下降至43.3 MPa。

尼龍6；焊接強(qiáng)度；玻璃纖維；苯胺黑色母；黏度；焊接工藝

尼龍6 (PA6)是一種半結(jié)晶性高分子材料，因其具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐磨性好、自潤滑優(yōu)良、耐油性和化學(xué)穩(wěn)定性好、電氣性能良好、易于成型加工等優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于電子電氣、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域[1]。由于加工工藝、注塑等方面的原因，很多結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的PA6產(chǎn)品不能一次加工成型，常常需要通過焊接的方法把多個零部件連接到一起，形成一個完整的產(chǎn)品。塑料焊接是常用的永久性連接塑料零部件的方法之一[2]。

目前使用較多的焊接方法有熱板焊接、激光焊接、超聲波焊接、振動摩擦焊接、旋轉(zhuǎn)摩擦焊接、感應(yīng)焊接和電阻植入焊接等。振動摩擦焊接是一種線性摩擦焊，該技術(shù)自20世紀(jì)70年代誕生以來，以其焊接強(qiáng)度高、節(jié)約成本等優(yōu)良特性得到了人們的認(rèn)可，目前已成為許多領(lǐng)域塑料制品的首選焊接工藝，例如汽車領(lǐng)域的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管、電控裝置及中控臺等。振動摩擦焊接不是依賴被焊件本身傳遞能量達(dá)到焊接效果，而是通過高頻振動使焊件相互摩擦產(chǎn)生熱量而充分熔融，摩擦停止后進(jìn)入保壓狀態(tài)，焊縫冷卻固化，從而達(dá)到永久性連接[3]。

關(guān)于PA的振動摩擦焊接，已有較多文獻(xiàn)研究了焊接工藝對焊接強(qiáng)度的影響[4]，而關(guān)于材料配方對焊接強(qiáng)度的影響研究較少。M. R. Kamal等[5]研究了不同工藝對純PA6與30%玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維30%玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度不如純PA6，A. Weglowska[6]認(rèn)為，焊接壓力和振幅提高時，PA66的焊接區(qū)域由無定形結(jié)構(gòu)向晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，另外，發(fā)現(xiàn)純PA66與30%玻璃纖維增強(qiáng)PA66焊接接頭形成原理不同[7]。

筆者從材料配方的角度，采用振動摩擦焊接的方法，研究了玻璃纖維含量、黑色母含量、樹脂黏度等因素對PA6焊接強(qiáng)度的影響，并同時探討了不同的焊接工藝，如深度、振幅、壓力等對焊接強(qiáng)度與焊接時間的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PA6：M2000，相對黏度為2.0，廣東新會美達(dá)錦綸股份有限公司；

PA6：牌號分別為VOLGAMID25，VOLGAMID27，VOLGAMID F34，相對黏度分別為2.5，2.7，3.4，上海古比雪夫氮貿(mào)易有限公司；

玻璃纖維：ECS11–4.5–560A，中國巨石股份有限公司；

苯胺黑色母：1#，高萊塑料(蘇州)有限公司；

抗氧劑A、抗氧劑B、潤滑劑A：上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：NE27E／40–1500型，四川中裝科技有限公司；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：Z010型，德國Zwick／Roell集團(tuán)；

二次元影像測量儀：YVM–3020CSPC型，上海界限實(shí)業(yè)有限公司；

振動摩擦機(jī)：VW6GV型，必能信超聲(上海)有限公司；

差示掃描量熱(DSC)儀：200F3型，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3 試樣制備

PA6在使用前于120℃烘干5 h以上，保證充分干燥。將PA6、玻璃纖維、苯胺黑色母與助劑按一定的配比在雙螺桿擠出機(jī)上共混、擠出造粒，得到塑膠粒子。機(jī)筒溫度設(shè)定為180，240，250，240，240，230，220，230℃，機(jī)頭溫度為230℃，螺桿轉(zhuǎn)速為350 r／min。

塑膠粒子經(jīng)過注塑機(jī)注塑成ISO標(biāo)準(zhǔn)拉抻樣條，摩擦焊接樣條注塑成如圖1所示的形狀，上方為焊接前的樣條，下方為焊接后的樣條，焊接面尺寸為15 mm×6 mm。注塑溫度為260，255，250℃，冷卻時間為8 s。

圖1 振動摩擦焊接樣條

1.4 振動摩擦焊接

將兩個待焊的焊接樣條件分別裝在振動焊接設(shè)備的上、下工作臺上，調(diào)整頻率為240 Hz，設(shè)定好焊接深度(0～3 mm)、振幅(0～1.8 mm)、壓力(3～9 MPa)等參數(shù)后，開始進(jìn)行焊接，上工作臺的焊接樣條隨著振動頭設(shè)置的參數(shù)相對于下工作臺的焊接樣條做往返移動。由于兩焊接樣條在其接觸面上相對移動產(chǎn)生了摩擦熱，樣條表面開始熔化，當(dāng)焊接達(dá)到了設(shè)定的深度值后，振動摩擦自動停止。兩焊接樣條接合面在焊接設(shè)備作用下自動對齊，保壓一定時間后形成牢固的焊接接頭。

1.5 性能測試

拉伸強(qiáng)度按ISO 527–2–2012進(jìn)行測試，拉伸速率為10 mm／min。

焊接強(qiáng)度測試：用測試?yán)鞆?qiáng)度的方法對圖1所示的焊接樣條進(jìn)行測試，拉伸速率為10 mm／min。

DSC測試：在氮?dú)鈿夥罩?，? mg左右的樣品以10℃／min的升溫速率從30℃升至250℃，恒溫2 min消除熱歷史后，以10℃／min的降溫速率降至30℃，再以10℃／min升溫至250℃，氮?dú)饬髁繛?0 mL／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃纖維含量對焊接強(qiáng)度的影響

為了考察玻璃纖維含量對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了如表1所示的配方。焊接工藝設(shè)置為：焊接深度1.2 mm，振幅0.85 mm，焊接壓力3.5 MPa。玻璃纖維增強(qiáng)PA6的拉伸強(qiáng)度與焊接強(qiáng)度結(jié)果見表1。

由表1可以看出，隨著玻璃纖維含量由0%提高到50%，玻璃纖維增強(qiáng)PA6的拉伸強(qiáng)度從70.9 MPa增大到235 MPa，焊接強(qiáng)度先增大后減小，由24.7 MPa增長到最大值58.0 MPa，再降至49.1 MPa，當(dāng)玻璃纖維含量為30%時，焊接強(qiáng)度具有最大值，為58.0 MPa。玻璃纖維在PA6基體中具有增強(qiáng)作用，同樣能夠起到增加焊接強(qiáng)度的作用，與 M. R. Kamal等[5]的研究結(jié)果不同，可能是由于兩者的焊接樣條注塑方式不同，導(dǎo)致玻璃纖維的取向不同，從而對焊接強(qiáng)度造成不同的影響。

表1 不同玻璃纖維含量增強(qiáng)PA6的配方與性能

玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接樣條拉伸后的斷面二次元影像圖如圖2所示，放大倍數(shù)為152倍。

圖2 不同玻璃纖維含量增強(qiáng)PA6焊接樣條斷面二次元影像圖

由圖2可以觀察到，隨著玻璃纖維含量的提高，玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接樣條拉伸后的斷面玻璃纖維的數(shù)量越來越多，樹脂越來越少。K. T. Lockwood等[8]研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維取向垂直于焊合面時，能有效地提高PA6的焊接強(qiáng)度，所以玻璃纖維含量較高時，垂直于焊合面取向的玻璃纖維越多，材料的焊接強(qiáng)度越高。但是，玻璃纖維含量的提高會減少焊接過程中PA6樹脂熔化的量，同時也會減少振動摩擦后重新凝固樹脂的含量，從而影響材料的焊接質(zhì)量，導(dǎo)致其焊接強(qiáng)度下降[9]。所以隨著玻璃纖維含量的提高，焊接強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)玻璃纖維含量為30%時，焊接強(qiáng)度具有最大值，為58.0 MPa。

2.2 苯胺黑色母含量對焊接強(qiáng)度的影響

從表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，40%玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度僅比30%玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度低1.4%，而拉伸強(qiáng)度卻高7.9%，為了兼顧優(yōu)異的力學(xué)性能且結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，筆者后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用40%玻璃纖維增強(qiáng)PA6作為研究對象。PA6是一種半結(jié)晶性材料，其熔融與結(jié)晶行為常常對其力學(xué)性能和加工性能有重要影響。苯胺黑色母是一種有機(jī)顏料，能顯著影響PA6的結(jié)晶行為，為了研究苯胺黑色母對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了表2所示的配方。焊接工藝設(shè)置為：深度1.2 mm，振幅0.85 mm，壓力3.5 MPa。

表2 不同黑色母含量增強(qiáng)PA6配方與性能

由表2可以看出，隨著苯胺黑色母含量由0%提高到3%，玻璃纖維增強(qiáng)PA6的拉伸強(qiáng)度均在215 MPa左右，變化較小，焊接強(qiáng)度也均穩(wěn)定在57 MPa左右，變化不大，說明苯胺黑色母含量對增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度的影響很小。

圖3為B–1，B–2，B–3，B–4的DSC曲線。

圖3 不同黑色母含量增強(qiáng)PA6的DSC曲線

由圖3可以看出，隨著苯胺黑色母含量的增加，體系的熔融峰溫度在220～222℃之間，變化很小，但結(jié)晶峰溫度變化明顯，添加1%苯胺黑色母，體系的結(jié)晶峰溫度即從191.8℃降至174.2℃，繼續(xù)提高苯胺黑色母含量到3%時，結(jié)晶峰溫度降至173.7℃，變化不明顯。K. Sukata等[10]認(rèn)為，苯胺黑色母與PA66之間存在很強(qiáng)的相互作用，苯胺黑色母的存在阻礙了PA鏈段的運(yùn)動，提高了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致結(jié)晶溫度與速率下降。而PA6的熔點(diǎn)高達(dá)220℃，在此溫度下苯胺黑色母與PA6之間的相互作用減弱，苯胺黑色母不能阻礙或促進(jìn)PA分子鏈的運(yùn)動，所以PA6的熔點(diǎn)沒有發(fā)生變化。PA6在進(jìn)行摩擦焊接時，需要先熔化才能焊接，熔點(diǎn)越低，對焊接越有利[4]，但苯胺黑色母并不改變PA6的熔點(diǎn)，所以對焊接強(qiáng)度的影響不大。

2.3 樹脂相對黏度對焊接強(qiáng)度的影響

不同黏度PA6對玻璃纖維增強(qiáng)PA6拉伸強(qiáng)度與焊接強(qiáng)度的影響見表3，表3同時列出了不同相對黏度PA6的玻璃纖維增強(qiáng)PA6的熔融峰溫度、結(jié)晶峰溫度、熔融焓與結(jié)晶度，結(jié)晶度根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算[11–12]：

式中：Xc--PA6的結(jié)晶度，%；

Δ Hm--PA6的熔融焓，J／g；

Δ H0m--PA6結(jié)晶度達(dá)到100%時的熔融焓，本實(shí)驗(yàn)取值為190 J／g[12]；

ω--純PA6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3 PA6黏度對玻璃纖維增強(qiáng)PA6性能與結(jié)晶熔融行為的影響

由表3可以看出，PA6的相對黏度越高，其拉伸強(qiáng)度越低；而樹脂相對黏度對焊接強(qiáng)度的影響規(guī)律不明顯。隨著PA6相對黏度由2.0提高到3.4，玻璃纖維增強(qiáng)PA6的熔融峰溫度與結(jié)晶峰溫度有下降的趨勢，但不明顯，而結(jié)晶度顯著下降，從27.1%降至16.2%，牌號為VOLGAMID F34的高黏度PA6 的結(jié)晶度最低，說明分子量大時PA6分子鏈堆砌困難，從而結(jié)晶度變小，最終導(dǎo)致材料的拉伸強(qiáng)度從225 MPa降至196 MPa，下降12.9%。材料的焊接強(qiáng)度與樹脂相對黏度沒有很強(qiáng)的相關(guān)性，但高相對黏度樹脂的焊接強(qiáng)度略高于低相對黏度樹脂，可能是由于高相對黏度樹脂在焊接界面分子鏈的纏結(jié)密度更高。

2.4 焊接工藝對焊接強(qiáng)度的影響

以A–5配方為基礎(chǔ)，研究不同焊接工藝對40%玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度的影響。儀器可調(diào)整的工藝有焊接深度(h)、振幅(A)、壓力(P)。樣條在摩擦焊接時做相對往復(fù)移動，如圖4所示。

圖4 摩擦焊接示意圖

樣條移動距離z按式(2)計(jì)算[13]：

z=Asin(2πnt) (2)

式中：n——振動頻率，本實(shí)驗(yàn)取值為240 Hz；

t——焊接時間，s。

樣條移動距離z主要與振幅A、振動頻率n有關(guān)，與壓力P無關(guān)，移動距離z隨焊接時間t做符合正弦曲線的往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)焊接達(dá)到所設(shè)定的深度h時，焊接停止，一般焊接時間短，有利于縮短生產(chǎn)周期，且減少噪音。

焊接工藝對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度與焊接時間的影響見表4、表5與表6。

表4 不同焊接深度下玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度與焊接時間

表5 不同振幅下玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度與焊接時間

表6 不同壓力下玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度與焊接時間

由表4可知，在設(shè)定振幅為0.85 mm、壓力為3.5 MPa下，隨著焊接深度從0.9 mm提高到2.5 mm，焊接強(qiáng)度變化不大，焊接時間從3.76 s延長至8.28 s。因?yàn)閷τ趦蓚€尺寸與面積相同的平面，焊接深度增加時，焊接界面間的材料熔融向外溢出更嚴(yán)重，并沒有導(dǎo)致界面層厚度的增加，所以焊接強(qiáng)度變化不大。

由表5可知，振幅對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度影響較大。在設(shè)定深度為1.5 mm、壓力為3.5 MPa下，當(dāng)振幅為0.4 mm時，焊接時間達(dá)到30 s，這是因?yàn)檎穹。?0 s內(nèi)材料未充分熔融，焊接深度無法達(dá)到設(shè)定的1.5 mm，焊接自動停止，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度偏低(未充分焊接)，僅為38.8 MPa；當(dāng)振幅達(dá)到0.7 mm時，樣條能充分焊接，焊接強(qiáng)度顯著提高，達(dá)到55.5 MPa，焊接時間立刻縮短至4.33 s，然后隨著振幅的提高，焊接強(qiáng)度變化不明顯，焊接時間逐漸減少。從式(2)可知，振幅提高，焊接時往復(fù)移動的距離增大，摩擦更劇烈。當(dāng)充分焊接之后，焊接強(qiáng)度不再隨振幅的升高而變化。

由表6可知，焊接壓力對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度影響較大。在設(shè)定振幅為1.7 mm、深度為0.9 mm下，隨著壓力由3.5 MPa提高到9.0 MPa，焊接強(qiáng)度從56.3 MPa降至43.3 MPa，焊接時間從1.86 s降至1.01 s，有可能是由于壓力較高時，焊接時間太短，界面間的樹脂沒有充分熔融與結(jié)晶，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度變小[14–15]。

3 結(jié)論

研究了玻璃纖維含量、苯胺黑色母含量、樹脂相對黏度與焊接工藝對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)隨著玻璃纖維含量的提高，玻璃纖維增強(qiáng)PA6的拉伸強(qiáng)度逐漸增大，而焊接強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)玻璃纖維含量為30%時，焊接強(qiáng)度有最大值，為58.0 MPa。

(2)加入3%苯胺黑色母使玻璃纖維增強(qiáng)PA6的結(jié)晶溫度從未加入時的191.8℃降至173.7℃，但不能降低材料的熔點(diǎn)，所以其對增強(qiáng)PA6的拉伸強(qiáng)度與焊接強(qiáng)度影響不大。

(3)當(dāng)樹脂的相對黏度從2.0提高到3.4時，玻璃纖維增強(qiáng)PA6的結(jié)晶度從27.1%降至16.2%，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度從225 MPa降至196 MPa，高相對黏度樹脂的焊接強(qiáng)度略高于低相對黏度樹脂的焊接強(qiáng)度。

(4)焊接深度對玻璃纖維增強(qiáng)PA6的焊接強(qiáng)度影響不大，均在55 MPa左右，焊接時間隨焊接深度的增加而延長。振幅對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度影響較大，振幅為0.4 mm時，焊接不充分，焊接強(qiáng)度低，僅為38.8 MPa；振幅為0.7 mm時，可充分焊接，焊接強(qiáng)度達(dá)55.5 MPa，之后焊接強(qiáng)度隨著振幅的提高變化不大，振幅越高，焊接時間越短。焊接壓力對玻璃纖維增強(qiáng)PA6焊接強(qiáng)度影響較大，隨著焊接壓力從3.5 MPa提高到9.0 MPa，焊接強(qiáng)度從56.3 MPa下降至43.3 MPa，焊接時間縮短。

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Influence Factors of Vibration Friction Welding Strength of Glass Fiber Reinforced PA6

Zhou Hualong， Zhang Yong， Wang Feng， Yi Xin， Zheng Yiquan， Ding Chao
(Shanghai Kingfa Science and Technology Development Co.， Ltd.， Shanghai 201714， China)

The influence of glass fiber content，nigrosine content，resin relative viscosity and welding process，such as depth，amplitude，pressure，etc. on vibration friction welding strength of glass fiber reinforced nylon 6 (PA6) were studied. The results show that a maximum welding strength of 58.0 MPa when the glass fiber content is 30%. Adding 3% nigrosine reduces the crystallization temperature of glass fiber reinforced PA6 significantly，from 191.8℃to 173.7℃，but it has little influence on the welding strength. With the increase of the viscosity of PA6 from 2.0 to 3.4，the crystallinity decreases from 27.1% to 16.2% while the weld strength increases slightly. The amplitude and welding pressure have notable impact on the welding strength. The welding strength is only 38.8 MPa while the amplitude is 0.4 mm，then welding strength increases to 55.5 MPa when the amplitude is 0.7 mm. As the welding pressure increases from 3.5 MPa to 9.0 MPa，the welding strength decreases from 56.3 MPa to 43.3 MPa.

nylon 6；welding strength；glass fiber；nigrosine；viscosity；welding process

TQ323.6

A

1001-3539(2016)12-0048-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.009

聯(lián)系人：周華龍，碩士，初級工程師，主要從事尼龍復(fù)合材料的功能化研究與應(yīng)用

2016-09-26