材料濕度對超聲波焊接質量的影響分析*

徐中，黃禹，丁斌，陳志

（1.華中科技大學制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074；2.廣東 威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305）

材料濕度對超聲波焊接質量的
影響分析*

徐中1，黃禹1，2丁斌2，陳志1

（1.華中科技大學制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074；2.廣東 威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305）

超聲波焊接加工尼龍等高分子聚合物材料時，材料含濕率對焊接強度與焊接時間長短有著顯著的影響。采用單因素分析方法，分析了材料含濕率對焊接質量及焊接過程的影響。結果表明當材料含濕率增加時，焊接強度將下降，而焊接時間則呈現先增加后減少的規律，實驗結論為進一步提升超聲波焊接質量提供了依據。

超聲波焊接；焊接質量；材料濕度；因素分析

塑料超聲波焊接憑借焊接時間短、焊縫質量高的特點，而廣泛應用于熱塑性材料的焊接。焊縫結構與強度是超聲波焊接焊縫的兩個重要考量指標，其受到眾多因素的影響。焊接材料的特性對于焊接加工過程有著直接的影響，對于高分子材料，例如尼龍，材料的含濕率對其材料特性具有顯著的影響［1-3］，進而可能影響到焊接得到的焊縫質量。實際生產環境中焊接原材料易受到貯藏、加工環境濕度的影響而引起其含濕率的較大變化，為了得到較為穩定的焊縫，以尼龍作為焊接材料，分析了其不同含濕率下，焊接得到的焊縫質量與焊接時間，探究其含濕率是否會對焊接加工質量具有顯著的影響，進而為實際加工提供實驗依據。

1 超聲波焊接特性

塑料超聲波焊接過程中，高頻機械振動傳導到焊接表面，焊接表面上的質點因超聲波激發而快速振動，產生摩擦， 釋放出大量的熱，加之塑料導熱性差，熱量不易散發，便在焊接處形成局部高溫，實現焊接加工［4，5］。塑料材料能否焊接與其材料特性具有密切的關系，其可焊性可用公式1表征［6］。

G = K·E·λ·μ/ρ·C·t（W/m2·K）（1）

其中，

G——塑料材料的可焊性；

K——焊件形狀因子，取決于焊件的壁厚、尺寸大小及焊頭的形狀尺寸；

E——塑料的彈性模量，GN/m2；

λ——導熱系數，W/m·K；

μ——塑料的摩擦系數；

ρ——塑料的密度，kg/m3；

C——比熱，J/kg·K；

t——熔點，K。

從上式可以看出塑料材料的可焊性與其彈性模量、導熱系數、摩擦系數成正比，而與其密度、比熱容及熔點成反比。

尼龍等高分子聚合物材料具有許多優良的特性，但由于碳酰胺健（—CO—NH—），其具有較強的親水性。水分子會導致氫鍵連接強度的削弱，隨著尼龍材料含濕率的增加，其材料性能也會隨之改變［2］。研究表明尼龍66的含濕率會影響其剛度和阻尼特性，而在超聲波焊接加工中，材料阻尼越大越有利于振動能量向熱能的轉化，但當材料阻尼過大時，也會導致振動能量被吸收而無法實現焊接［7］，因此如何確定適宜的材料含濕率以保證材料的可焊性就尤為重要。

2 實驗設計與結果分析

2.1實驗設計

為了探究材料含濕率對超聲波焊接過程的影響，選用尼龍6作為焊接用材料，設計單因素實驗。為獲得不同含濕率的樣件，將樣件分別置于不同濕度的環境中，而其余條件（溫度，時間）均相同，采用相對重量比率來控制材料的含濕率，多次稱重以保證材料含濕率的穩定性，實驗中樣件含濕率預處理如表1所示。焊接用樣件如圖1所示，采用注射制模方法得到。

表1　樣件含濕率預處理

圖1　焊接樣件

焊接加工中，各組超聲波焊接參數保持不變，參數設置如下：焊接頻率20 kHz，焊接幅值30 μm，焊接壓力2.2 N/mm2，焊縫長度0.7 mm，以達到理性焊縫的焊接時間及焊縫強度為考量指標進行對比分析。

2.2結果分析

如圖2所示為焊縫強度與材料含濕率之間的關系圖，從圖中可以看出材料含濕率對焊接強度具有較為顯著的影響，沒有做任何處理的樣件焊接得到的焊縫強度最大，而隨著材料含濕率的增大其焊縫強度逐漸減少。材料含濕率為0.6%時，焊縫強度即開始大幅降低，當材料含濕率在1.7%～3.4%之間時，焊縫強度繼續下降但基本維持不變，而材料含濕率從3.4%～7.7%時，焊縫強度又大為降低。通過顯微鏡對焊縫結構組織進行觀察，如圖3所示，可以看到在焊接區域存在孔隙，而材料含濕率越大現象越明顯，材料濕度導致焊縫區域孔隙的產生，降低了焊縫強度。圖3中材料含濕率最大時（7.7%），還可以發現其焊縫厚度較其它組更薄，焊縫強度與厚度也是具有直接關系的［8］，這進一步降低了焊縫強度。

圖2　材料含濕率與焊縫強度關系

圖3　焊縫微觀組織

3 結語

通過不同含濕率材料的超聲波焊接實驗，分析了材料含濕率對焊接焊縫強度與焊接時間的影響。實驗結果表明，材料含濕率對焊接得到的焊縫強度有較為顯著的影響，這是因為材料濕度在焊縫中形成孔隙導致的；同樣材料含濕率對焊接過程也有較為顯著的影響，隨著材料含濕率的增大，其焊接所需的時間呈現

先增大后下降的特點，通過焊接時間可以大致判斷材料的含濕率進而可以預判焊接得到的焊縫質量。實驗得到的結論對于實際加工具有一定的借鑒作用，有利于提升超聲波焊接質量。

圖4　材料含濕率與焊接時間關系

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［5］ 陶永亮. 塑料焊接加工幾種方法. 塑料制造，2 0 11（1 2）: 75～79.

［6］ 張勝玉. 塑料超聲波焊接技術（上）. 橡塑技術與裝備，2015（08）: 7～16.

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（P-01）

Effect of material humidity on ultrasonic welding quality

TG409

1009-797X（2016）10-0026-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.008

徐中（1992-），男，碩士，主要研究方向為機電一體化，特種加工。

2016-04-07

家電送風系統設計及制造的數字化、智能化技術研究與應用項目（2013CXTD01）；貫流風扇葉超聲波焊接機器人研發及柔性生產線示范（2013AH100013）。