ABS熱塑性高分子材料的電阻熱鉚焊工藝

白生天,張昌青,王希靖

（蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

ABS熱塑性高分子材料的電阻熱鉚焊工藝

白生天,張昌青,王希靖

（蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

采用鋁鉚釘連接熱塑性塑料ABS，利用電阻點(diǎn)焊機(jī)快速加熱使鉚釘兩端變形形成鉚頭，同時(shí)熔融塑料對(duì)被連接ABS板材起粘接作用，該方法兼具鉚接、膠結(jié)及焊接的工藝特點(diǎn)。在試驗(yàn)焊接電流2.5 kA、3 kA、3.5 kA、3.7 kA、4 kA條件下，分析通電過(guò)程中由于焦耳效應(yīng)，不僅鉚釘發(fā)熱變形，受熱傳遞影響鉚釘周圍塑料熔化，在壓力作用下向板間鋪展，形成塑性熔合區(qū)；研究不同參數(shù)下接頭拉伸載荷和斷裂形式分析接頭的連接機(jī)理，確定最佳工藝窗口；通過(guò)光電子能譜分析接頭粘接界面母材成分及化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。

熱塑性；熱鉚；丙烯烴-丁二烯-苯乙烯；粘接

0前言

工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致金屬等非可再生能源消耗越來(lái)越大，隨著新型材料技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料、特種塑料在家電、汽車、電子單件產(chǎn)品中的應(yīng)用比例越來(lái)越大[1]，塑料的連接技術(shù)隨之成為科研人員重點(diǎn)研究的課題。電阻焊加熱鉚釘?shù)倪B接工藝在金屬連接中已有成熟應(yīng)用，但對(duì)塑料及復(fù)合材料的研究和應(yīng)用鮮有報(bào)道，試驗(yàn)采用該工藝連接熱塑性塑料丙烯烴-丁二烯-苯乙烯（ABS）。

本研究選擇6063鋁合金鉚釘連接熱塑性塑料ABS。鋁合金塑性高、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好等，ABS作為熱塑性塑料，經(jīng)高溫熔化冷卻可反復(fù)成型而不發(fā)生變性，因此利用電阻點(diǎn)焊機(jī)加熱鋁鉚釘連接ABS板材，在高溫、壓力作用下，鉚釘變形、塑料熔化冷卻形成熔合區(qū)，使接頭具有鉚接、膠結(jié)、焊接的工藝特點(diǎn)。在此研究不同電流參數(shù)下接頭的力學(xué)性能差異，從接頭形貌、斷裂形式、形成熔合區(qū)面積等方面分析影響接頭性能的因素，從而確定最佳工藝窗口。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

材料為6063半空心鋁合金鉚釘，尺寸φ3mm× 8 mm；熱塑性塑料ABS，尺寸80 mm×25mm×2 mm。材料的物理性能見(jiàn)表1。

表1 ABS和6063鋁合金的物理性能Table 1Physical property of ABS and 6063 aluminium alloy

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)焊接設(shè)備采用唐山松下YF-0201Z2交流電阻點(diǎn)焊機(jī)，首先在搭接接頭中心區(qū)預(yù)打孔，然后植入金屬鉚釘，將準(zhǔn)備好的工件放置在電極之間進(jìn)行焊接。其中上電極采用凹形電極，鉚釘?shù)陌肟招牟糠峙c上電極相對(duì)放置。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)前使用砂紙將接頭搭接區(qū)域打磨粗糙，并用酒精溶液擦拭打磨區(qū)域，以去除ABS表面的油污和殘留的脫模劑。采用WDW-3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)拉伸機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸速度1mm/min，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作拉伸測(cè)試試樣，焊后接頭效果及拉伸試樣如圖1所示。

圖1 拉伸試樣和焊接效果Fig.1Tensile sample and welding joint

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及接頭強(qiáng)度Table 2Parameters and shear strength of joints

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1微觀組織分析

ABS/ABS焊接接頭熔合區(qū)微觀形貌如圖2所示。鉚釘周圍ABS塑料受熱傳遞影響發(fā)生熔化，在壓力作用下向兩板間鋪展，與鉚釘距離越近，熔化的塑料與兩板熔合越均勻。與鉚釘距離越遠(yuǎn)：（1）向鉚釘周圍塑料傳遞的熱量減少，散失的熱量增加，因此熔融塑料鋪展到一定范圍時(shí)冷卻，并與兩板相互粘接；（2）被連接板材所受電極力作用區(qū)域有限，當(dāng)大于電極頭作用范圍時(shí)板材所受壓力明顯較小，因此在圖2中熔合區(qū)邊緣與兩板間存在明顯的分界線。

圖2 接頭熔合區(qū)SEMFig.2Joint fusion zone SEM picture

ABS/ABS塑料粘接處局部微觀形貌如圖3所示。熔融塑料與ABS塑料板互相浸潤(rùn)，形成緊密的粘接作用，但是粘接界面很少達(dá)到原子間的接觸而形成密集的化學(xué)鍵結(jié)合[2]，該過(guò)程僅是ABS之間的粘接作用，未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成配位鍵。根據(jù)粘接理論形成配位鍵的條件——兩種物質(zhì)一方為電子供

體，另一方為電子受體，兩者相互作用不產(chǎn)生排斥反應(yīng)因此可以產(chǎn)生配位鍵，ABS/ABS粘接作為同種物質(zhì)，均為電子供體，在原子接觸界面很難形成大量的配位鍵[3]。

圖3 ABS/ABS粘接處局部微觀形貌Fig.3ABS/ABS bonding interface microstructure

鋁鉚釘與ABS塑料具備形成配位鍵的條件，ABS可以提供多余的電子對(duì)，金屬鋁是典型的缺電子物質(zhì)，兩者相互結(jié)合可以形成配位鍵，提高了接頭強(qiáng)度。

2.2力學(xué)性能及接頭斷裂形貌分析

接頭拉伸載荷如表2所示，相應(yīng)參數(shù)下接頭拉伸的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。由拉伸載荷和拉伸曲線可以看出，隨著焊接電流增大，接頭強(qiáng)度不斷提高，當(dāng)電流超過(guò)3 700 A時(shí)，由于焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量過(guò)多，導(dǎo)致鉚釘軟化變形速率迅速增加，在電極壓力作用下，軟化的鋁合金向周圍延展速率小于變形速率，導(dǎo)致焊接過(guò)程中鉚釘發(fā)生飛濺，不能形成有效的焊接接頭[4]。由圖4的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可知，電流2 500 A、3 000 A條件下的拉伸曲線相似，表明接頭拉伸過(guò)程中僅鋁鉚釘承受載荷，接頭未形成有效的塑料熔合區(qū)，接頭強(qiáng)度實(shí)際等于鉚釘?shù)募羟袕?qiáng)度。電流3 500 A、3 700 A條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線發(fā)生明顯的“跳躍”，表明：

（1）焊接過(guò)程中鉚釘產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳遞熔化周圍塑料，在壓力作用下熔融塑料向兩板間鋪展形成熔合區(qū)，對(duì)接頭起粘接作用從而提高接頭強(qiáng)度。

（2）拉伸斷裂分兩步進(jìn)行：①接頭粘接的熔合區(qū)發(fā)生撕裂，是提高接頭強(qiáng)度的主要因素；②鉚釘承受載荷發(fā)生塑性斷裂。

焊接通電加熱過(guò)程對(duì)于鋁鉚釘相當(dāng)于金屬再結(jié)晶過(guò)程，當(dāng)電流過(guò)大產(chǎn)熱量過(guò)多時(shí)，易發(fā)生晶粒粗大降低鉚釘強(qiáng)度，因此選擇合適的電流既能提高接頭強(qiáng)度，也有利于提高接頭的抗疲勞性能。根據(jù)接頭抗拉強(qiáng)度及接頭斷裂形式，焊接電流3500～3700 A為最佳工藝窗口。

圖4 接頭應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4Stress-strain curve of joint

典型接頭斷裂形貌如圖5所示，鉚釘周圍熔合區(qū)在拉伸過(guò)程中撕裂，之后鉚釘從塑料板一側(cè)脫落，從斷口形貌可看出接頭失效形式為韌性斷裂，拉伸過(guò)程中，熔合區(qū)首先發(fā)生撕裂，形成“魚(yú)鱗狀”分層薄片，表明兩板間融化的塑料互溶形成良好的粘接效果，進(jìn)一步驗(yàn)證塑料熔合區(qū)形成的粘接效果對(duì)提高接頭強(qiáng)度所起的作用。

圖5 接頭斷裂形貌Fig.5Fracture morphology of joint

2.3X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜是一種從成分和結(jié)構(gòu)上對(duì)材料表面進(jìn)行分析的技術(shù)手段，采用PHI-5702多功能電子能譜儀對(duì)ABS/ABS焊接接頭粘接界面進(jìn)行光電子能譜分析。圖6為接頭界面XPS譜，對(duì)01 s峰進(jìn)行分峰處理，01 s譜如圖7所示，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

ABS高分子聚合物由碳、氫、氮三種元素組成，從XPS全譜分析可知，除上述三種元素外還存在氧元素，主要以C—O、C==O兩種形式存在，其中C—O鍵含量占11.67％，是接頭結(jié)合面中氧元素的主要存在形式，其余少量氧以C==O鍵形式存在。ABS聚合物自身不存在C—O、C==O鍵，實(shí)驗(yàn)證明聚烯烴等經(jīng)電暈放電處理后，經(jīng)紅外光譜分析證實(shí)具有—C==O，—OH等活性基團(tuán)[5]，為膠粘劑之間的化學(xué)反應(yīng)提供了可行條件，焊接過(guò)程中靠近鉚釘?shù)腁BS聚合物局部可形成類似電暈的物理環(huán)境，在兩電極強(qiáng)電場(chǎng)作用下，各種離子加速?zèng)_擊ABS塑料，導(dǎo)致塑料分子的化學(xué)鍵斷裂并降解，一方面增加ABS表面粗糙度和表面積，另一方面使塑料分子氧化，產(chǎn)生C==O羰基等極性較強(qiáng)的基團(tuán)，提高粘接界面的表面能。此外，接頭粘接界面中存在11.67％的C—O鍵，其產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)可能為[6]：

圖6 接頭界面XPS譜Fig.6XPS spectrum of joint interface

圖7 接頭界面01 s譜Fig.701 s spectrum of joint interface

表3 接頭粘合界面官能團(tuán)含量Table 3Group contents of joint bonding interface

粘接的配位鍵機(jī)理認(rèn)為，強(qiáng)的粘附作用來(lái)源于膠粘劑分子與被粘物在界面上生成配位鍵，ABS/ ABS粘接作為同種物質(zhì)，都是供電子體，在原子接觸界面很難形成大量的配位鍵，但是實(shí)驗(yàn)證明接頭中粘接效果可以顯著提高接頭強(qiáng)度。因此在ABS/ABS粘接界面由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化學(xué)鍵或官能團(tuán)如C—O鍵是粘接效果的主要原因。

3結(jié)論

（1）分析接頭微觀組織形貌，得出焊接接頭形成一定范圍的粘接面積，且距離鉚釘越近，ABS板與熔融塑料形成的熔合區(qū)接觸越緊密。

（2）熔化塑料形成的粘接熔合區(qū)可以顯著提高接頭強(qiáng)度。在最佳工藝窗口為電流3 500～3 700 A，接頭的粘接熔合區(qū)首先發(fā)生撕裂，隨后鋁鉚釘發(fā)生韌性斷裂。

（3）ABS/ABS粘接界面為同種物質(zhì)，都是供電子體，在原子接觸界面很難形成大量的配位鍵。但是焊接過(guò)程中產(chǎn)生C==O、—OH鍵，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成新的化學(xué)鍵如C—O鍵，是粘接效果的主要原因。

[1]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5（1）：1-16.

[2]周定沛.粘接配位鍵機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究（二）[J].粘接，1987，8（4）：1-5.

[3]周定沛.粘接配位鍵機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究（一）[J].粘接，1987，8（1）：1-5.

[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).電阻焊理論與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[5]潘慧銘，黃素娟.表面、界面的作用與粘接機(jī)理（二）[J].粘接，2003，24（3）：41-46.

[6]潘慧銘.界面的配位作用與化學(xué)反應(yīng)（二）[J].粘合劑，1988（3）：41-48.

Electric resistance hot-driven riveting welding of ABS thermoplastic polymer materials

BIA Shengtian，ZHANG Changqing，WANG Xijing
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

In this paper，the research uses aluminum rivet connection thermoplastic polymer ABS，forming riveting heads on both sides of connected joint by resistance spot welding machine heating rivet quickly，and bonding ABS plates by forming molten-plastic，which has the advantages of machine riveting，bonding and welding.When welding current is 2.5 kA，3 kA，3.5 kA，3.7 kA and 4 kA，study the effect of riveting deformation and molten-plastic on the joint strength due to joule effect and pressure in the welding process.The molten-plastic will spread out and form the plastic fusion zone between plates，which could increase greatly strength of joint；through research the strength of joint and fracture pattern with different parameter，analyze the connection mechanism of joint and explore the optimum process window，research the adhesive interface composition and chemical structure changes of joints by electron spectroscopy.

thermoplastic；hot riveting；ABS；bonding

TG453+.9

A

1001-2303（2016）11-0074-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.15

獻(xiàn)

白生天，張昌青，王希靖.ABS熱塑性高分子材料的電阻熱鉚焊工藝[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：74-77.

2016-01-01；

2016-06-26

甘肅省自然基金資助項(xiàng)目（1508RJZA055）

白生天（1987—），男，甘肅民勤人，碩士，主要從事異種材料電阻焊連接的研究及應(yīng)用工作。