一种振动焊接热塑塑料接合处的方法及振动焊接产品的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种振动焊接，特别涉及一种振动焊接热塑塑料接合处的方法及振动 焊接广品。
【背景技术】
[0002] 近年来，在汽车应用领域诸如空气吸入系统使用热塑塑料代替金属的需求不断增 加。估计到2010年，将用焊接技术生产2140万个各种空气吸入零件。本发明涉及一种经 过改进的热塑塑料接合处的振动焊接方法，以及用这种方法生产的振动焊接产品。 热塑塑料，例如尼龙6和尼龙66的振动焊接在本技术领域内是众所周知的。见V.K.Stokes的《聚合物的工程与科学》28, 718 (1988)中"热塑塑料的振动焊接，第一部分： 焊接过程的现象学";V.K.Stokes的《聚合物的工程与科学》28,728(1988)中"热塑塑料的振 动焊接，第二部分：焊接过程的分析";V.K.Stokes的《聚合物的工程与科学》28,989 (1988) 中"热塑塑料的振动焊接，第三部分：聚碳酸脂对缝焊的强度";V.K.Stokes的《聚合物的工 程与科学》28,998 (1988)中"热塑塑料的振动焊接，第五部分：聚合丁烯酸对苯二酸盐、聚 醚酰亚胺和改良聚苯撑氧对缝焊的强度"和C.B.Bucknall等人的《聚合物的工程与科学》 20,432 (1980)中"塑料的热板焊接：焊接强度的影响因素"。 振动焊接可这样进行，将两个零件在压力下沿其共同的界面振动，产生摩擦热，从而将 其表面熔化和熔融在一起。振动焊接是联接各种规格的形状不规则零件的快速而廉价的方 法。过去，振动焊接已用于低负载轴承领域。在汽车罩壳的应用领域中，例如空气吸入集气 管、空气过滤器壳座，以及共振器，扩大工程塑料的应用将使汽车重量减轻，成本降低。但 是，迄今为止，在这些用途上还不可能获得足够的焊接强度。焊接结果对参数均一性和轻微 的振动极其敏感，它们可能导致焊接质量的显著变化。振动焊接参数如压力、频率、振幅、振 动（焊接）时间、保持时间和焊层厚度均影响焊接接合部的抗拉强度。本发明的一个目的 是提供一种纤维强化热塑塑料表面的振动焊接方法，所得的焊接接合部的抗拉强度比在此 之前所能得到的要高。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种将一个包括纤维强化第一热塑塑料成分的第一表面与一个包 括第二热塑塑料成分地第二表面相联接的方法，该方法包括使第一表面和第二表面接触， 并对相接触的第一和第二表面进行振动焊接，在第一和第二表面之间形成一焊接层，该焊 接层由第一和第二热塑塑料成分的融合物构成；本发明还提供一种振动焊接产品，它包括 一个包含第一纤维强化热塑塑料成分的第一表面，和一个包含第二热塑塑料成分的与第一 表面相接触的第二表面，以及一个在第一和第二表面之间的焊接层，它包含第一和第二热 塑塑料成分的融合物，其特征在于，来自第一表面的纤维穿入焊接层和第二表面中。 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括： 热塑塑料的振动焊接有四个阶段，即界面通过摩擦加热，不稳定熔化和材料的横向流 动，在稳定状态条件下熔化区建立；以及由于振动终止材料在焊接区的不稳定流动和凝固。 焊接可以用已经过改进以获得本发明所需要的参数条件的标准振动焊接设备来进行。重要 的参数包括压力、振幅、频率、焊接周期时间和保持时间。 一种使一个包括纤维强化第一热塑塑料成分的第一表面与一个包括第二热塑塑料成 分的第二表面相联接的方法，所述方法包括使第一表面和第二表面接触，并对相接触的第 一和第二表面在足以在第一和第二表面之间形成一焊接层的条件下进行振动焊接； 所述焊接层由第一和第二热塑塑料成分的融合物构成且其中来自第一表面的纤维穿 入焊接层和第二表面中。
[0004]所述第一和第二热塑塑料成分各自均包括选自以下一组材料中的热塑聚合物，包 括聚酰胺类、聚酯类、聚碳酸脂类、聚枫类、聚酰亚铵类、聚胺脂类、聚醚类、乙烯类聚合物以 及它们的混合物。诸如尼龙6和尼龙66的聚酰胺类，例如Capron8233GHS尼龙6和 Capron5233GHS尼龙66可从新泽西州Morristown的AlliedSignal公司购得。诸如 Petra聚乙烯对酞酸盐的聚酯类材料最好也从AlliedSignal公司购得。只要在融合方面 是相容的，也可以使用不同的热塑塑料表面材料。热塑塑料表面至少有一个是纤维强化的， 最好是两个均强化。
[0005]所述纤维包括选自以下一组材料中的一种，它包括玻璃、碳、娃、金属、矿物质、聚 合物和它们的混合物，但不限于此。合适的强化纤维在注射成型所用的典型温度，例如高达 400°C的温度下不软化，即不失去其刚性。
[0006]作为本发明一优选实施例，所述纤维是刚性的，直径约为10至15微米，约11至13 微米更佳，最好是12微米左右。优选的纤维长度是从约140微米至约320微米，更好一点 是自约150至约220微米，而最好是自约160至约1800微米。在优选实施例中，该纤维占 热塑塑料成分的重量百分比为约8%至约45%，更好一些是占热塑塑料成分的重量百分比 为约13%至25%。存在于强化的第一热塑塑料成分和强化的第二热塑塑料成分两者之中。
[0007]-个表面在另一个表面上摩擦的线性峰到峰的位移或距离是振动振幅。在最佳实 施例中，振动振幅至少约〇. 1。较好的振动振幅范围是自约〇. 1至约〇. 15英寸，而最好是自 0. 1至0. 12英寸。上述振幅的额定输出振动频率是250Hz。在其它振动频率下，振幅将会 改变。例如，在120Hz的额定输出振动频率下，优选的振幅范围是自至少约0. 1英寸（0. 13 英寸更佳）至约0. 16英寸，而最好是自约0. 135英寸至约0. 145英寸。对于本技术领域内 的专业人士，可以很容易地确定其它频率下的振幅。 在优选实施例中，接触表面在振动焊接过程中处于垂直于表面的约〇. 8至I. 5MPa的压 力下。更好的压力范围是约〇? 9至约I. 2MPa，而最好是约0? 9至约I.OMPa。振动时间或摩 擦时间的优选范围是约3至7秒，更好一些是4秒至6秒。保持时间，或冷却时间的优选范 围是约3至约6秒，更好一些是约4至约5秒，在振动停止后的这段时间内，压力仍然保持。 焊接层厚度的优选范围是约180至约430微米，更好一些是约220至约350微米，而最好是 约260至约330微米。
[0008]当在上述条件下进行振动焊接时，一部分来自强化表面的纤维，穿入焊接层和相 对的表面。当两个表面均为强化热塑塑料所构成时，来自各个表面的一部分纤维均穿入焊 接层和相对的表面。在优选实施例中，（根据抗拉强度）估计的从一个或两个强化表面穿 入到相对表面的纤维的比例在约4%至约10%的范围，更好一些是约5%至约8%，最好是 约6%至8%。
[0009] -种振动焊接产品，包括一个包含第一纤维强化热塑塑料成分的第一表面，和一 个包含与第一表面相接触的第二热塑塑料成分的第二表面，以及一个在第一和第二表面之 间的焊接层，它包含第一和第二热塑塑料成分的融合物且其中来自第一表面的纤维穿入焊 接层和第二表面中。
[0010] 进一步的，所述第二热塑塑料成分是纤维强化的，且其中来自第二表面的纤维穿 入焊接层和第一表面中。
[0011] 与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明振动焊接工艺，一个强化热塑塑料表 面与另一个热塑塑料表面的焊接层同由相应热塑塑料材料的未强化表面所形成的焊接层 相比，获得了更高的最大抗拉强度。
【具体实施方式】
[0012] 鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的 技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0013] 振动焊接机可从康纳狄格州Danbury的Branson超声波公司购得，如微型振动焊 接机和90系列VW/6型振动焊接机。但是，由于它们的额定振幅范围在250Hz输出频率下 是0. 1至0. 12英寸，所以必须进行调整。振动焊接可以通过使第一热塑塑料表面和第二热 塑塑料表面在压力下接触来进行。至少一个最好两个热塑塑料表面都是纤维强化的。使所 要焊接的表面彼此相互接触，且在一预定压力下保持两表面间的界面，例如将其放置于一 平台上并处在由气缸或液压缸所施加的压力下。然后使一个表面相对于另一表面做直线往 复运动，以造成摩擦，生成热，熔化两表面且使第一和第二表面的热塑塑料材料融合。焊接 前纤维强化热塑塑料材料中的纤维基本是无取向的。在先有技术的振动焊接技术中，相接 触的热塑塑料表面熔化、融合、形成一焊接层，但是，处于焊接层内的纤维只处在焊接平面 的方向上。与其相反，当根据本发明进行振动焊接时，一个表面或两个表面的强化纤维被压 入到与其相对的接触表面中。当焊接层冷却时就获得了以前所无法达到的焊接强度。 强化热塑塑料表面的振动焊接层的抗拉强度处于由相应热塑塑料材料的未强化表面 所形成的焊接层的至少80%，且最好是自约80%至约125%的范围。没有特殊的理论，就假 设本发明的振动焊接参数能使纤维从一个强化表面穿入另一