1、研究背景

滑石粉（Talc）填充可改善聚丙烯（PP）原材料的多種性能，包括成型收縮率、表面硬度、彎曲模量、拉伸強度、沖擊強度、產品尺寸穩定性和熱變形溫度等。隨著滑石粉用量的增加，改性料的熱變形溫度逐步增加，主要是由于滑石粉的加入大幅度提高了材料的剛性，同時在一定程度上，降低了改性料的成型收縮率。尤其是高含量PP-Talc40%體系由于高模量，低尺寸變化率，高耐熱溫度而被廣泛應用于包括車燈殼體、空調風門、空調出風口葉片等汽車零部件。由于汽車向輕量化、集成化的趨勢發展，很多結構相對復雜的PP-Talc40%產品不能通過一次注塑成型，因而需要通過焊接技術將不同塑料零部件焊接在一起。

振動摩擦焊接方法主要是兩個塑料件在一定的壓緊力、振幅和頻率下，通過高頻振動使得焊接樣品相互摩擦產生熱量，熔融固化以及冷卻后，達到永久性連接的目的，因為其大位移運動，產生足夠熱量，從而能完成高強度焊接。同時材料兼容性比其他的焊接方法（包括熱板焊接、激光焊接、超聲波焊接）更好，能夠焊接得到較高焊接強度和良好的密封性，因而廣泛應用于發動機進氣歧管、碳罐、儀表盤、尾燈等部位。

目前，已有相關文獻研究了不同PP體系焊接性能的規律，但是對于滑石粉填充PP，尤其是PP-Talc40%體系，不同的焊接工藝對其焊接性能的影響卻研究較少。

本文以PP-Talc40%體系為原料，通過注塑成型制備焊接樣條。采用試驗設計方法（DOE），研究了焊接深度、壓緊力以及振幅三個主要因子對焊接強度的影響。同時探究了不同的焊接工藝，包括：深度、振幅、壓緊參數以及焊接工位等對PP-Talc40%體系焊接強度的影響。

2、結果與討論

2.1DOE試驗方案

利用DOE試驗設計方法，進行3因子，5水平振動摩擦焊接試驗，在進行單工位焊接過程中，當焊接壓緊參數超過4 MPa時，上下模具相互接觸擠壓過程中，已經發生破壞，無法進行焊接，因而在單工位焊接過程中，控制壓緊參數為3 MPa。焊接后的樣條進行拉伸強度測試，試驗結果如表1所示。

表1不同影響因素下PP-Talc40%焊接強度試驗結果

從焊接強度的主效應圖1（A）中可以看出，隨著焊接振幅從0.6 mm增加到1.8 mm而增加。若想該材料獲得較高的焊接強度，焊接振幅需不低于1.2 mm，焊接深度不低于1.0 mm。從焊接強度交互作用圖1（B）可以看出，當選用振幅1.2 mm，焊接深度1.8 mm時，焊接強度的均值最高，其次是焊接振幅1.5 mm，焊接深度1.8 mm。

圖1：（A）：焊接強度主效應圖；（B）：焊接強度交互作用圖

2.2 焊接振幅對焊接強度的影響

固定焊接深度為1.8 mm，焊接壓緊參數為3 MPa，焊接振幅分別為：0.5 mm，0.7 mm，0.9 mm，1.1 mm，1.3mm，1.5 mm，1.6 mm和1.7 mm。從圖2中可以看出，隨著焊接振幅增加，焊接強度有增加趨勢，當焊接振幅高于0.9 mm時，焊接強度變化不大，均在4.42-5.62 MPa之間。因而當焊接振幅超過一定值時，對焊接強度的影響不大。

圖2焊接強度隨著振幅變化關系圖

從圖3焊接頭處橫截面的二次元影像可以看出，振幅0.5 mm，相比較振幅1.3 mm和1.7 mm時，表面出現相對較多的灰黑色區域。表明在拉伸斷裂過程中，這部分區域出現相對較少聚丙烯分子鏈段的相互拉扯。從而進一步說明焊接過程中，低振幅條件下，聚合物分子鏈段熔融，纏結能力相對較弱，焊接強度較低。

圖3 不同振幅焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（壓緊參數3MPa，焊接深度1.8mm）

2.3焊接深度對焊接強度的影響

設定焊接壓緊參數為3 MPa，設定振幅分別為0.6 mm，1.2 mm和1.8 mm，改變焊接深度分別為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。焊接強度隨著焊接深度以及振幅的變化關系見圖4。

圖4焊接強度隨著焊接深度以及振幅的變化關系圖

從圖4可以看出，較低焊接振幅（0.6mm）時，隨著焊接深度增加，焊接強度不斷增加，但是焊接強度相對較低。主要原因是低振幅下，剪切力較低，接觸面處塑料分子之間熱運動能力不足，導致分子鏈之間的纏結程度降低，焊接強度低于2.41MPa。另外PP-Talc40%體系在振動摩擦焊接的固液相變階段，由于摩擦生熱導致的流體層與層之間的橫向流動，在接觸面區域更多的是上下樣品的滑石粉進行相互交叉結合，在接觸面處如果分子鏈纏結程度不足，將會導致比較低的焊接強度。

圖5不同深度焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（壓緊參數3 MPa，振幅1.2 mm）

從圖5焊接頭處橫截面的二次元影像可以看出，當振幅固定為1.2 mm，壓緊參數設定為3 MPa時，其焊接面影像中灰黑色局部區域占比相差不大，表明高振幅條件下，其焊接強度受焊接深度的影響較小。

因而，需要選擇相對較高的振幅進行PP-Talc40%體系振動摩擦焊接。在高振幅的條件下，尤其焊接振幅選擇1.8mm時，較低的焊接深度下就能夠達到比較高的焊接強度。

2.4焊接機壓緊參數對焊接強度的影響

固定焊接振幅1.8 mm，焊接壓緊參數設定為3MPa、4MPa和5MPa，選擇單工位的焊接方式，焊接深度選擇為0.7 mm，0.9 mm，1.1 mm，1.3 mm和1.5 mm。

圖6焊接強度隨著焊接深度和壓緊參數的變化關系圖

從圖6可以看出，當控制焊接振幅和焊接深度相同時，壓緊參數4MPa下的焊接強度均比3MPa下大，當焊接深度1.3mm時，焊接強度均值為10.12MPa，約占ISO拉伸樣條拉伸強度29%。當壓緊力為5 MPa時，上下模具合模時，樣品被破壞，強度較低，均值在0.16MPa左右。

圖7不同壓緊參數焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（深度1.3mm，振幅1.8mm）

從上圖7可以看出，當壓緊參數設定為4MPa時，其接頭處橫截面的二次元影像基本呈現白色區域，表明其在拉伸實驗過程中，橫截面區域都撕裂，其焊接過程中聚合物分子鏈段熔融，纏結能力相對較優，焊接強度較高。當壓緊參數設定為5MPa時，在合模時，樣品出現破壞，只出現極少區域熔融焊接，因而焊接強度很低。

圖8 （A）單工位焊接示意圖；（B）雙工位焊接示意圖；

（C）三工位焊接示意圖

因而可以考慮增加工位數，即多個樣品同時焊接的方式，來平衡單個樣品局部壓強過高的現象，等同于增加樣品焊接區域的面積。如圖8所示，分別為單工位焊接，雙工位焊接以及三工位焊接示意圖。

2.5焊接工位數對焊接強度的影響

固定焊接振幅為1.8 mm，壓緊參數4MPa，改變焊接深度，分別控制其為0.7 mm、0.9 mm、1.1 mm和1.3 mm。焊接強度試驗結果如圖9所示。可以看出，相同焊接壓緊參數條件下，隨著同時焊接工位數量的增加，焊接強度有明顯增加的趨勢，三工位的焊接強度能夠達到11.24±0.80 MPa，約為其ISO拉伸樣條拉伸強度的32.1±2.3%。

圖9焊接強度隨著焊接深度和同時焊接工位數的變化關系圖

從圖10可以看出，隨著焊接工位數的增加，其接頭處橫截面的二次元影像白色區域占比越來越高。因而選擇相對較多的工位數進行焊接，能夠促進焊接面處更好的分子鏈熔融纏結的效果。

圖10不同工位數焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（深度1.1mm，振幅1.8mm）

根據以上研究結果可知：控制高振幅1.8 mm，壓緊參數4MPa，三工位的焊接方式，PP-Talc40%體系能夠得到相對較優的振動摩擦焊接工藝。

3、結論

本文利用DOE試驗設計方案研究了40%滑石粉填充聚丙烯（PP-Talc40%）體系的焊接強度影響因素，研究結論如下：

1）隨著焊接振幅增加，焊接強度有增加趨勢，當焊接振幅低于0.6 mm時焊接強度較低，高于0.9 mm時焊接強度變化不大。

2）需要設定較高的振幅進行該種材料焊接，當振幅為1.8mm時，較低的焊接深度也能夠達到較高的焊接強度；高振幅條件下，焊接強度受焊接深度的影響較小。

3）控制焊接振幅和焊接深度相同時，壓緊參數4 MPa下的焊接強度均比3MPa下大，超過5 MPa時焊接強度較低。

4）增加焊接工位數能夠得到更高的焊接強度。三工位的焊接強度能夠達到11.24±0.80 MPa，約為其材料拉伸強度的32.1±2.3%。

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