一種振動焊接熱塑塑料接合處的方法及振動焊接產品的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種振動焊接，特別涉及一種振動焊接熱塑塑料接合處的方法及振動 焊接廣品。
【背景技術】
[0002] 近年來，在汽車應用領域諸如空氣吸入系統使用熱塑塑料代替金屬的需求不斷增 加。估計到2010年，將用焊接技術生產2140萬個各種空氣吸入零件。本發明涉及一種經 過改進的熱塑塑料接合處的振動焊接方法，以及用這種方法生產的振動焊接產品。 熱塑塑料，例如尼龍6和尼龍66的振動焊接在本技術領域內是眾所周知的。見V.K.Stokes的《聚合物的工程與科學》28, 718 (1988)中"熱塑塑料的振動焊接，第一部分： 焊接過程的現象學";V.K.Stokes的《聚合物的工程與科學》28,728(1988)中"熱塑塑料的振 動焊接，第二部分：焊接過程的分析";V.K.Stokes的《聚合物的工程與科學》28,989 (1988) 中"熱塑塑料的振動焊接，第三部分：聚碳酸脂對縫焊的強度";V.K.Stokes的《聚合物的工 程與科學》28,998 (1988)中"熱塑塑料的振動焊接，第五部分：聚合丁烯酸對苯二酸鹽、聚 醚酰亞胺和改良聚苯撐氧對縫焊的強度"和C.B.Bucknall等人的《聚合物的工程與科學》 20,432 (1980)中"塑料的熱板焊接：焊接強度的影響因素"。 振動焊接可這樣進行，將兩個零件在壓力下沿其共同的界面振動，產生摩擦熱，從而將 其表面熔化和熔融在一起。振動焊接是聯接各種規格的形狀不規則零件的快速而廉價的方 法。過去，振動焊接已用于低負載軸承領域。在汽車罩殼的應用領域中，例如空氣吸入集氣 管、空氣過濾器殼座，以及共振器，擴大工程塑料的應用將使汽車重量減輕，成本降低。但 是，迄今為止，在這些用途上還不可能獲得足夠的焊接強度。焊接結果對參數均一性和輕微 的振動極其敏感，它們可能導致焊接質量的顯著變化。振動焊接參數如壓力、頻率、振幅、振 動（焊接）時間、保持時間和焊層厚度均影響焊接接合部的抗拉強度。本發明的一個目的 是提供一種纖維強化熱塑塑料表面的振動焊接方法，所得的焊接接合部的抗拉強度比在此 之前所能得到的要高。

【發明內容】

[0003] 本發明提供了一種將一個包括纖維強化第一熱塑塑料成分的第一表面與一個包 括第二熱塑塑料成分地第二表面相聯接的方法，該方法包括使第一表面和第二表面接觸， 并對相接觸的第一和第二表面進行振動焊接，在第一和第二表面之間形成一焊接層，該焊 接層由第一和第二熱塑塑料成分的融合物構成；本發明還提供一種振動焊接產品，它包括 一個包含第一纖維強化熱塑塑料成分的第一表面，和一個包含第二熱塑塑料成分的與第一 表面相接觸的第二表面，以及一個在第一和第二表面之間的焊接層，它包含第一和第二熱 塑塑料成分的融合物，其特征在于，來自第一表面的纖維穿入焊接層和第二表面中。 為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括： 熱塑塑料的振動焊接有四個階段，即界面通過摩擦加熱，不穩定熔化和材料的橫向流 動，在穩定狀態條件下熔化區建立；以及由于振動終止材料在焊接區的不穩定流動和凝固。 焊接可以用已經過改進以獲得本發明所需要的參數條件的標準振動焊接設備來進行。重要 的參數包括壓力、振幅、頻率、焊接周期時間和保持時間。 一種使一個包括纖維強化第一熱塑塑料成分的第一表面與一個包括第二熱塑塑料成 分的第二表面相聯接的方法，所述方法包括使第一表面和第二表面接觸，并對相接觸的第 一和第二表面在足以在第一和第二表面之間形成一焊接層的條件下進行振動焊接； 所述焊接層由第一和第二熱塑塑料成分的融合物構成且其中來自第一表面的纖維穿 入焊接層和第二表面中。
[0004]所述第一和第二熱塑塑料成分各自均包括選自以下一組材料中的熱塑聚合物，包 括聚酰胺類、聚酯類、聚碳酸脂類、聚楓類、聚酰亞銨類、聚胺脂類、聚醚類、乙烯類聚合物以 及它們的混合物。諸如尼龍6和尼龍66的聚酰胺類，例如Capron8233GHS尼龍6和 Capron5233GHS尼龍66可從新澤西州Morristown的AlliedSignal公司購得。諸如 Petra聚乙烯對酞酸鹽的聚酯類材料最好也從AlliedSignal公司購得。只要在融合方面 是相容的，也可以使用不同的熱塑塑料表面材料。熱塑塑料表面至少有一個是纖維強化的， 最好是兩個均強化。
[0005]所述纖維包括選自以下一組材料中的一種，它包括玻璃、碳、娃、金屬、礦物質、聚 合物和它們的混合物，但不限于此。合適的強化纖維在注射成型所用的典型溫度，例如高達 400°C的溫度下不軟化，即不失去其剛性。
[0006]作為本發明一優選實施例，所述纖維是剛性的，直徑約為10至15微米，約11至13 微米更佳，最好是12微米左右。優選的纖維長度是從約140微米至約320微米，更好一點 是自約150至約220微米，而最好是自約160至約1800微米。在優選實施例中，該纖維占 熱塑塑料成分的重量百分比為約8%至約45%，更好一些是占熱塑塑料成分的重量百分比 為約13%至25%。存在于強化的第一熱塑塑料成分和強化的第二熱塑塑料成分兩者之中。
[0007]-個表面在另一個表面上摩擦的線性峰到峰的位移或距離是振動振幅。在最佳實 施例中，振動振幅至少約〇. 1。較好的振動振幅范圍是自約〇. 1至約〇. 15英寸，而最好是自 0. 1至0. 12英寸。上述振幅的額定輸出振動頻率是250Hz。在其它振動頻率下，振幅將會 改變。例如，在120Hz的額定輸出振動頻率下，優選的振幅范圍是自至少約0. 1英寸（0. 13 英寸更佳）至約0. 16英寸，而最好是自約0. 135英寸至約0. 145英寸。對于本技術領域內 的專業人士，可以很容易地確定其它頻率下的振幅。 在優選實施例中，接觸表面在振動焊接過程中處于垂直于表面的約〇. 8至I. 5MPa的壓 力下。更好的壓力范圍是約〇? 9至約I. 2MPa，而最好是約0? 9至約I.OMPa。振動時間或摩 擦時間的優選范圍是約3至7秒，更好一些是4秒至6秒。保持時間，或冷卻時間的優選范 圍是約3至約6秒，更好一些是約4至約5秒，在振動停止后的這段時間內，壓力仍然保持。 焊接層厚度的優選范圍是約180至約430微米，更好一些是約220至約350微米，而最好是 約260至約330微米。
[0008]當在上述條件下進行振動焊接時，一部分來自強化表面的纖維，穿入焊接層和相 對的表面。當兩個表面均為強化熱塑塑料所構成時，來自各個表面的一部分纖維均穿入焊 接層和相對的表面。在優選實施例中，（根據抗拉強度）估計的從一個或兩個強化表面穿 入到相對表面的纖維的比例在約4%至約10%的范圍，更好一些是約5%至約8%，最好是 約6%至8%。
[0009] -種振動焊接產品，包括一個包含第一纖維強化熱塑塑料成分的第一表面，和一 個包含與第一表面相接觸的第二熱塑塑料成分的第二表面，以及一個在第一和第二表面之 間的焊接層，它包含第一和第二熱塑塑料成分的融合物且其中來自第一表面的纖維穿入焊 接層和第二表面中。
[0010] 進一步的，所述第二熱塑塑料成分是纖維強化的，且其中來自第二表面的纖維穿 入焊接層和第一表面中。
[0011] 與現有技術相比，本發明的優點包括：本發明振動焊接工藝，一個強化熱塑塑料表 面與另一個熱塑塑料表面的焊接層同由相應熱塑塑料材料的未強化表面所形成的焊接層 相比，獲得了更高的最大抗拉強度。
【具體實施方式】
[0012] 鑒于現有技術中的不足，本案發明人經長期研究和大量實踐，得以提出本發明的 技術方案。如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。
[0013] 振動焊接機可從康納狄格州Danbury的Branson超聲波公司購得，如微型振動焊 接機和90系列VW/6型振動焊接機。但是，由于它們的額定振幅范圍在250Hz輸出頻率下 是0. 1至0. 12英寸，所以必須進行調整。振動焊接可以通過使第一熱塑塑料表面和第二熱 塑塑料表面在壓力下接觸來進行。至少一個最好兩個熱塑塑料表面都是纖維強化的。使所 要焊接的表面彼此相互接觸，且在一預定壓力下保持兩表面間的界面，例如將其放置于一 平臺上并處在由氣缸或液壓缸所施加的壓力下。然后使一個表面相對于另一表面做直線往 復運動，以造成摩擦，生成熱，熔化兩表面且使第一和第二表面的熱塑塑料材料融合。焊接 前纖維強化熱塑塑料材料中的纖維基本是無取向的。在先有技術的振動焊接技術中，相接 觸的熱塑塑料表面熔化、融合、形成一焊接層，但是，處于焊接層內的纖維只處在焊接平面 的方向上。與其相反，當根據本發明進行振動焊接時，一個表面或兩個表面的強化纖維被壓 入到與其相對的接觸表面中。當焊接層冷卻時就獲得了以前所無法達到的焊接強度。 強化熱塑塑料表面的振動焊接層的抗拉強度處于由相應熱塑塑料材料的未強化表面 所形成的焊接層的至少80%，且最好是自約80%至約125%的范圍。沒有特殊的理論，就假 設本發明的振動焊接參數能使纖維從一個強化表面穿入另一