技术研究 | 振动摩擦焊接法制备高滑石粉填充PP的发动机进气歧管

1、研究背景

滑石粉（Talc）填充可改善聚丙烯（PP）原材料的多种性能，包括成型收缩率、表面硬度、弯曲模量、拉伸强度、冲击强度、产品尺寸稳定性和热变形温度等。随着滑石粉用量的增加，改性料的热变形温度逐步增加，主要是由于滑石粉的加入大幅度提高了材料的刚性，同时在一定程度上，降低了改性料的成型收缩率。尤其是高含量PP-Talc40%体系由于高模量，低尺寸变化率，高耐热温度而被广泛应用于包括车灯壳体、空调风门、空调出风口叶片等汽车零部件。由于汽车向轻量化、集成化的趋势发展，很多结构相对复杂的PP-Talc40%产品不能通过一次注塑成型，因而需要通过焊接技术将不同塑料零部件焊接在一起。

振动摩擦焊接方法主要是两个塑料件在一定的压紧力、振幅和频率下，通过高频振动使得焊接样品相互摩擦产生热量，熔融固化以及冷却后，达到永久性连接的目的，因为其大位移运动，产生足够热量，从而能完成高强度焊接。同时材料兼容性比其他的焊接方法（包括热板焊接、激光焊接、超声波焊接）更好，能够焊接得到较高焊接强度和良好的密封性，因而广泛应用于发动机进气歧管、碳罐、仪表盘、尾灯等部位。

目前，已有相关文献研究了不同PP体系焊接性能的规律，但是对于滑石粉填充PP，尤其是PP-Talc40%体系，不同的焊接工艺对其焊接性能的影响却研究较少。

本文以PP-Talc40%体系为原料，通过注塑成型制备焊接样条。采用试验设计方法（DOE），研究了焊接深度、压紧力以及振幅三个主要因子对焊接强度的影响。同时探究了不同的焊接工艺，包括：深度、振幅、压紧参数以及焊接工位等对PP-Talc40%体系焊接强度的影响。

2、结果与讨论

2.1DOE试验方案

利用DOE试验设计方法，进行3因子，5水平振动摩擦焊接试验，在进行单工位焊接过程中，当焊接压紧参数超过4 MPa时，上下模具相互接触挤压过程中，已经发生破坏，无法进行焊接，因而在单工位焊接过程中，控制压紧参数为3 MPa。焊接后的样条进行拉伸强度测试，试验结果如表1所示。

表1不同影响因素下PP-Talc40%焊接强度试验结果

从焊接强度的主效应图1（A）中可以看出，随着焊接振幅从0.6 mm增加到1.8 mm而增加。若想该材料获得较高的焊接强度，焊接振幅需不低于1.2 mm，焊接深度不低于1.0 mm。从焊接强度交互作用图1（B）可以看出，当选用振幅1.2 mm，焊接深度1.8 mm时，焊接强度的均值最高，其次是焊接振幅1.5 mm，焊接深度1.8 mm。

图1：（A）：焊接强度主效应图；（B）：焊接强度交互作用图

2.2 焊接振幅对焊接强度的影响

固定焊接深度为1.8 mm，焊接压紧参数为3 MPa，焊接振幅分别为：0.5 mm，0.7 mm，0.9 mm，1.1 mm，1.3mm，1.5 mm，1.6 mm和1.7 mm。从图2中可以看出，随着焊接振幅增加，焊接强度有增加趋势，当焊接振幅高于0.9 mm时，焊接强度变化不大，均在4.42-5.62 MPa之间。因而当焊接振幅超过一定值时，对焊接强度的影响不大。

图2焊接强度随着振幅变化关系图

从图3焊接头处横截面的二次元影像可以看出，振幅0.5 mm，相比较振幅1.3 mm和1.7 mm时，表面出现相对较多的灰黑色区域。表明在拉伸断裂过程中，这部分区域出现相对较少聚丙烯分子链段的相互拉扯。从而进一步说明焊接过程中，低振幅条件下，聚合物分子链段熔融，缠结能力相对较弱，焊接强度较低。

图3 不同振幅焊接后的样条焊接头处横截面的二次元影像（压紧参数3MPa，焊接深度1.8mm）

2.3焊接深度对焊接强度的影响

设定焊接压紧参数为3 MPa，设定振幅分别为0.6 mm，1.2 mm和1.8 mm，改变焊接深度分别为0.1mm，0.2mm，0.4mm，0.6 mm，0.8 mm，1.0mm，1.2 mm，1.4 mm，1.6 mm和1.8 mm。焊接强度随着焊接深度以及振幅的变化关系见图4。

图4焊接强度随着焊接深度以及振幅的变化关系图

从图4可以看出，较低焊接振幅（0.6mm）时，随着焊接深度增加，焊接强度不断增加，但是焊接强度相对较低。主要原因是低振幅下，剪切力较低，接触面处塑料分子之间热运动能力不足，导致分子链之间的缠结程度降低，焊接强度低于2.41MPa。另外PP-Talc40%体系在振动摩擦焊接的固液相变阶段，由于摩擦生热导致的流体层与层之间的横向流动，在接触面区域更多的是上下样品的滑石粉进行相互交叉结合，在接触面处如果分子链缠结程度不足，将会导致比较低的焊接强度。

图5不同深度焊接后的样条焊接头处横截面的二次元影像（压紧参数3 MPa，振幅1.2 mm）

从图5焊接头处横截面的二次元影像可以看出，当振幅固定为1.2 mm，压紧参数设定为3 MPa时，其焊接面影像中灰黑色局部区域占比相差不大，表明高振幅条件下，其焊接强度受焊接深度的影响较小。

因而，需要选择相对较高的振幅进行PP-Talc40%体系振动摩擦焊接。在高振幅的条件下，尤其焊接振幅选择1.8mm时，较低的焊接深度下就能够达到比较高的焊接强度。

2.4焊接机压紧参数对焊接强度的影响

固定焊接振幅1.8 mm，焊接压紧参数设定为3MPa、4MPa和5MPa，选择单工位的焊接方式，焊接深度选择为0.7 mm，0.9 mm，1.1 mm，1.3 mm和1.5 mm。

图6焊接强度随着焊接深度和压紧参数的变化关系图

从图6可以看出，当控制焊接振幅和焊接深度相同时，压紧参数4MPa下的焊接强度均比3MPa下大，当焊接深度1.3mm时，焊接强度均值为10.12MPa，约占ISO拉伸样条拉伸强度29%。当压紧力为5 MPa时，上下模具合模时，样品被破坏，强度较低，均值在0.16MPa左右。

图7不同压紧参数焊接后的样条焊接头处横截面的二次元影像（深度1.3mm，振幅1.8mm）

从上图7可以看出，当压紧参数设定为4MPa时，其接头处横截面的二次元影像基本呈现白色区域，表明其在拉伸实验过程中，横截面区域都撕裂，其焊接过程中聚合物分子链段熔融，缠结能力相对较优，焊接强度较高。当压紧参数设定为5MPa时，在合模时，样品出现破坏，只出现极少区域熔融焊接，因而焊接强度很低。

图8 （A）单工位焊接示意图；（B）双工位焊接示意图；

（C）三工位焊接示意图

因而可以考虑增加工位数，即多个样品同时焊接的方式，来平衡单个样品局部压强过高的现象，等同于增加样品焊接区域的面积。如图8所示，分别为单工位焊接，双工位焊接以及三工位焊接示意图。

2.5焊接工位数对焊接强度的影响

固定焊接振幅为1.8 mm，压紧参数4MPa，改变焊接深度，分别控制其为0.7 mm、0.9 mm、1.1 mm和1.3 mm。焊接强度试验结果如图9所示。可以看出，相同焊接压紧参数条件下，随着同时焊接工位数量的增加，焊接强度有明显增加的趋势，三工位的焊接强度能够达到11.24±0.80 MPa，约为其ISO拉伸样条拉伸强度的32.1±2.3%。

图9焊接强度随着焊接深度和同时焊接工位数的变化关系图

从图10可以看出，随着焊接工位数的增加，其接头处横截面的二次元影像白色区域占比越来越高。因而选择相对较多的工位数进行焊接，能够促进焊接面处更好的分子链熔融缠结的效果。

图10不同工位数焊接后的样条焊接头处横截面的二次元影像（深度1.1mm，振幅1.8mm）

根据以上研究结果可知：控制高振幅1.8 mm，压紧参数4MPa，三工位的焊接方式，PP-Talc40%体系能够得到相对较优的振动摩擦焊接工艺。

3、结论

本文利用DOE试验设计方案研究了40%滑石粉填充聚丙烯（PP-Talc40%）体系的焊接强度影响因素，研究结论如下：

1）随着焊接振幅增加，焊接强度有增加趋势，当焊接振幅低于0.6 mm时焊接强度较低，高于0.9 mm时焊接强度变化不大。

2）需要设定较高的振幅进行该种材料焊接，当振幅为1.8mm时，较低的焊接深度也能够达到较高的焊接强度；高振幅条件下，焊接强度受焊接深度的影响较小。

3）控制焊接振幅和焊接深度相同时，压紧参数4 MPa下的焊接强度均比3MPa下大，超过5 MPa时焊接强度较低。

4）增加焊接工位数能够得到更高的焊接强度。三工位的焊接强度能够达到11.24±0.80 MPa，约为其材料拉伸强度的32.1±2.3%。

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