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。

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。

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。

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。

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