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PP+GF10%材料的超声波焊接案例

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塑胶材料对超声波焊接性能的影响

1. 案例和分析

近期,我遇到一个超声波焊接PP瓶体的案例。瓶体直径约100mm,盖子焊接时中心管口出现振裂破损。即使采用小振幅和小焊接位移,管口也会裂开。后来尝试更换材料,将均聚物PP更换为共聚物PP+10%玻纤,管口振裂问题得以解决。

试验明显发现,PP+GF10材料的盖子更容易焊接,或者说导能筋更容易熔化。此时,超声波振动能更有效地转变为热量,避免了多余振动对盖子的破坏。

随后,我出于好奇和严谨,对比了前后两种材料的物性数据,对可能影响超声波焊接难易的指标做了对比。

  • 材料弯曲模量,两者接近 182Gpa。

  • 材料硬度。PP+GF10材料洛氏硬度(M标尺)60-70HRM。原来的材料硬度未查到。

于是,简单的有如下结论。不过,被网友质疑了。感谢网友,让我更进一步的挖掘,找到了理论依据。

2. 超声波焊接--热量公式

超声波焊接导能筋处产生的热量,由以下一个简单公式决定。

Q=0.5wE”e^2

其中,w=2πf是超声波频率对应的角频率,E”是材料的损耗模量( loss modulus),e是应变振幅。e与超声波焊接振幅和焊缝接头的几何形状有关。

这个热量方程中与材料有关的只有损耗模量,是个重要参数。不过,比较遗憾的是,没有材料供应商会测量损耗模量。如果真有,他们也不会以超声波振动的频率来测量。当然,损耗模量是频率和温度的函数,与材料硬度有关。

3. 两个影响焊接、可测量材料特性

  • 玻璃化转变温度Tg(无定形聚合物)或熔化温度Tm(半结晶聚合物)。你需要塑料至少达到临界流动温度Tcf,大约是Tg+100℃或Tm+(5-10℃)。Tcf值越低,就越容易熔化焊接。例如,PEEK 的Tcf>300C,真的很难焊接。

  • 硬度。非常柔软的聚合物具有很高的损耗模量,甚至不会将振动传递到焊缝上。容易烫伤/熔伤材料表面。邵氏硬度(Shore A)<80的材料一般无法采用超声波焊接。对于一些较软的材料,要采用近场焊接,且焊接筋设计要更结实。有关邵氏硬度(Shore A)与洛氏硬度(M标尺)的关系如下图。

这里也就很好解释上面网友的疑问:ABS要比PC容易焊接。因为,ABS的玻璃化转变温度Tg=95-115℃,PC的Tg=150-200℃。ABS的Tg更低,更容易焊接。

当材料相同时,对比不同牌号的硬度即可以初步判断哪一种更容易焊接。

4. 其它影响因素

  • 填料。0-10%的填料不会对材料特性产生很大区别。但是,这些填料(例如玻纤)十分有助于焊接软材料,例如PP和PE。10%-33%填料,会降低焊接强度。33%之后对焊接性能(强度和密封性)就有较大影响了。当然,我焊接过高达50%玻纤含量的尼龙,焊接密封性不稳定。所以,尽可能避免这种情况。

  • 润滑剂。对焊接有害,影响材料的性能,并进入焊接熔池,阻碍材料之间的良好扩散。添加的润滑剂(特别是脱模剂)通常会使超声波焊接过程失败。

  • 吸水性。吸水性较高的聚合物(例如尼龙)需要在焊接时保持干燥。因为,被困在焊缝中的水分会变成蒸汽,并在焊缝中产生气泡,削弱了焊缝强度和密封性能。

理论上,超声波可以用来焊接几乎所有的热塑性塑料。但是,你还是要小心考虑材料特性,并正确设计,同时注意注塑过程和保存方法。那么,你既可以焊接ABS,也可以焊接PEEK,获得你想要的焊接结果


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