振动焊接的热塑塑料接合处性能的改善的制作方法

专利名称：振动焊接的热塑塑料接合处性能的改善的制作方法
相关申请的横向参考材料1996年11月8日提出申请的美国临时专利申请No.60/006,334在此一并作为参考，本申请需要从其中获益。
发明的背景本发明涉及振动焊接，或更特指地涉及热塑塑料接合处的振动焊接。
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。
美国专利4,844,320认为，焊接强度不受一定水平以上的焊接振幅和焊接时间的影响。在传统的振动焊接中，焊接层在0.03至0.07英寸的振幅下形成。与之相反，我们发现，焊接振幅和焊接时间对于提高焊接强度是极其重要的指标。本发明的振动焊接采用至少约0.075英寸的振幅。已经认定，强化热塑塑料表面的传统振动焊接层可获得的最大抗拉强度是相应热塑塑料材料的未强化表面所形成的焊接层的80％左右。对于玻璃纤维强化热塑塑料，这种抗拉强度的降低归因于在焊接接合处玻璃纤维取向的改变。根据本发明，强化热塑塑料表面的振动焊接层可获得的最大抗拉强度高达相应热塑塑料材料的未强化表面所形成焊接层的120％。这是因为至少一个表面的纤维被使得穿入焊接层和另一个表面。这就为焊接层提供了附加的、额外的抗拉强度。
发明的说明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的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，其特征在于，振动焊接是在足以使来自第一表面的纤维穿入焊接层和第二表面中的条件下进行的。
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。
振动焊接技术和实施振动焊接的装置在本技术领域内是众所周知的，正如在此作为参考的美国专利4,844,320中所例举的。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。
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240Hz输出频率下是0.040至0.070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。
根据本发明，可被焊接的两个热塑塑料表面，可以由任何相容的热塑聚合材料构成。合适的热塑聚合材料包括(但不仅限于此)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Capron8233G HS尼龙6和Capron5233G HS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。合适的强化纤维包括(但不仅限于此)这样的材料，它在注射成型所用的典型温度，例如高达400℃的温度下不软化，即不失去其刚性。优选的纤维强化材料包括如玻璃、碳、硅、金属、矿物质、聚合纤维以及它们的混合物等材料。最好的是玻璃纤维强化。在优选实施例中，该纤维是刚性的，直径约为8至12微米，约9至11微米更佳，最好是10微米左右。优选的纤维长度是从约120微米至约300微米，更好一点是自约130至约250微米，而最好是自约140至约200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6％至约40％，更好一些是占热塑塑料成分的重量百分比为约13％至25％。
一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0.075。较好的振动振幅范围是自约0.075至约0.15英寸，而最好是自0.075至0.090英寸。上述振幅的额定输出振动频率是240Hz。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0.09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0.6至约1.5MPa的压力下。更好的压力范围是约0.6至约1.2MPa，而最好是约0.7至约0.8MPa。振动时间或摩擦时间的优选范围是约2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2至约8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160至约400微米，更好一些是约200至约350微米，而最好是约250至约330微米。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2％至约8％的范围，更好一些是约4％至约8％，最好是约5％至8％。本发明振动焊接工艺的结果是，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。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85％，且最好是自约85％至约120％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个表面。例如，压力的采用，以及振动时间和振幅应是传导性的，以将纤维从一个熔融表面推向另一个。焊接层厚度过薄或纤维填充量过大可能造成纤维转动空间不够，从而限制纤维横穿入相对的表面。
下列不具有限制性意义的例子的作用是说明本发明。感光涂层成分的组分中的某些元素按比例改变或替换对于本技术领域的专业人士是显而易见的，而且也在本发明范围内，对此均表示赞赏。
实例一将从新泽西州Morristown的AlliedSignal公司获得的Capron8233 G HS尼龙6和Capron5233 G HS尼龙66的颗粒以注射成型方式制成3″×4″×1/4″和3″×4″×1/8″的块，它含有名义重量百分比为0-50％比例的玻璃纤维强化物质。同样的块用Branson超声波公司的微型振动焊机或2400系列焊机用下列参数振动焊接在一起最大夹持载荷4.5kN；焊接振幅0.762至2.28mm(0.030″至0.090″)；焊接时间4-8秒；额定焊接频率240Hz。改变焊接参数，即压力(载荷)、振幅和时间，使焊接接合处的抗拉强度最佳化。而后只选择那些所获得的抗拉强度高于未填充基底材料的样品，以对焊接区的组织结构进行研究。此项分析研究中包括焊接区的界面和纤维取向的细节。研究这些样品的组织结构使用了光学显微镜，而量化纤维长度用的是图像分析仪。
焊接区玻璃纤维填充量分析所研究的Capron尼龙6注射成型零件的名义纤维填充量在0至50％重量百分比的范围。但是，如果在焊接层形成时纤维或尼龙基体被从焊接区推开，则焊接区实际的纤维填充量可能会改变。为了确定焊接层过余流动区的纤维填充量是否与基础材料的不同，通过获取基体热解前后过量部分的重量差来测量纤维的重量百分比。7个在不同焊接条件下加工的Capron8233G HS尼龙6样品的结果归纳于表1。结果表明，所检验的各种尼龙6材料的纤维填充量约比基体成分低0.5％至1％重量百分比。
对于尼龙66，焊接区毛刺内的玻璃含量用Capron5233 G HS尼龙66样品测量。结果示于表2中，表明尼龙66在焊接区毛刺处的纤维填充量约比基体成分低0.5％重量百分比。这些纤维含量的变化很小，而且与纤维含量的测量精度接近。
焊接区玻璃纤维长度的分析为了确定在焊接区的纤维是否有大量折断，进行了纤维长度分析。毛刺(从热解灰回收)内纤维的纤维长度确定用光学显微镜和图像分析仪测量。玻璃纤维样品用2，2，2-三氟乙醚(TFE)溶剂从灰中提取且散布在载玻片上。每个样品照10张光学显微照片，总共1000-2000根纤维用图像分析仪计数和测量。表3给出其结果。分析表明，所有样品的平均纤维长度在120至180微米范围。这与从原始模制拉伸杆在焊接区以外部分测量的样品纤维长度的平均值相当。另外，用扫描电子显微镜对焊接区断裂表面的研究表明在焊接区没有纤维的大量折断。
焊接区玻璃纤维取向分布的分析玻璃纤维(GF)在焊缝区的纤维分布(FOD)的研究用光学显微镜和扫描电子显微镜进行。对于每个样品均制备平行和贯穿厚度方向的截面，且对于光学显微镜研究在制备中进行金相抛光。较低倍率(25x和50x)下的光学显微照片表示出焊接区周围总的FOD，以及焊接区的纤维取向。光学显微照片分别从6wt.％GF、14wt.％GF、25wt.％GF、33wt.％GF和50wt.％GF的尼龙6样品的抛光截面摄取。显微照片表示出靠近和偏离焊接区的纤维取向。另外焊接区的表观厚度可以直接在显微照片中所示的位置从FOD的变化中直接测量。我们注意到，14wt.％和25wt.％GF的样品中，一些纤维有明显的在垂直于焊接平面的拉伸方向上取向的迹象。还注意到，在最佳焊接条件下的强化效果表现出与玻璃纤维在选择用于焊接的模制板上的取向无关。
焊接接合处的抗拉强度对于每种振动焊接条件(即设定的压力、振幅和焊接时间)，在标准的ASTM D638M-93塑料抗拉试验规程下测试10个试样。表4中归纳了在最佳焊接参数条件下焊接接合处抗拉强度的结果。玻璃纤维填充量对抗拉强度的影响也进行了研究。结果表明，所有焊接接合处样品的抗拉强度均高于未强化的尼龙6的。对于强化的尼龙6材料，最大抗拉强度是93.1MPa。这出现在玻璃纤维填充量约为14wt.％和25wt.％的情况下。通过与抗拉强度为79.3MPa的未强化的材料相比较，这个在强化程度出现的抗拉强度最大值使焊接接合处的抗拉强度提高了17％。
在同样的焊接和强化条件下，焊接尼龙6材料的抗拉强度表现出比焊接尼龙66的稍高(约4％)。该数据还表明，在界面处，玻璃纤维/尼龙66成分与基体材料的近似。所看到的玻璃填充尼龙6在最佳焊接工艺条件下的焊接强度较高，可能得益于几点因素。对于尼龙6，在选择同样的成分和焊接参数选择条件下，一定比例的玻璃纤维呈现出在界面处横跨焊接平面。焊接区的宽度在200-300微米左右，与纤维的平均长度相当。这可使纤维在焊接过程中具有一定的迁移性，在树脂主要流动方向以外的方向上运动，即纤维不是被完全限制在狭窄的焊接区内沿流动方向运动。从显微照片上所观察到的焊接区厚度可描绘为纤维填充量的函数。我们注意到，焊接区厚度确实在纤维负载为14wt.％的情况下经历最大值。此最大值出现的位置(14Wt.％H至25Wt.％玻璃纤维(GF))与抗拉强度曲线的最大值的相同。这进一步表明焊接区厚度对焊接接合处的抗拉强度有积极影响。通过制备相对于纤维主流取向具有不同取向的焊接试样，可以进行焊接性能与玻璃纤维在GF尼龙6板中的取向分布的关系的研究。这些数据结果表明在焊接界面，在焊接区内所获得的纤维取向与邻近焊接区的基体尼龙6中的纤维主流取向无关。直线振动焊接的聚酰铵对缝焊接合处的数据表明同以往公开的数据相比，抗拉强度的提高达35％。
表1Capron8233G HS(尼龙6)毛刺中玻璃纤维的比例
表2Capron5233G HS(尼龙66)毛刺中玻璃纤维的比例
权利要求
1.一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，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，该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。
2.如权利要求1所述的方法，其中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，它包含聚酰胺类、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。
3.如权利要求1所述的方法，其中该纤维包括选自以下一组材料中的一种，它包含玻璃、碳、硅、金属、矿物质、聚合物和它们的混合物．
4.如权利要求1所述的方法，其中该纤维以占第一热塑塑料成分的重量约6％至约40％重量百分比的量存在于强化的第一热塑塑料成分中。
5.如权利要求1所述的方法，其中纤维以占各自热塑塑料成分的重量约6％至约40％重量百分比的量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。
6.一种振动焊接产品，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。
7.如权利要求18所述的产品，其中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。
8.如权利要求18所述的产品，其中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，它包括聚酰胺类、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。
9.如权利要求18所述的产品，其中该纤维包括选自以下一组材料中的一种，它包含玻璃、碳、硅、金属、矿物质、聚合物和它们的混合物。
全文摘要
本发明提供一种经过改进的热塑塑料的振动焊接方法。这种焊接的进行是通过在压力下使两个纤维强化热塑塑料零件沿其共同界面振动,产生摩擦热,将其表面熔化和熔融在一起。至少一个表面上的纤维穿入焊接层和另一个表面中。结果,焊接的纤维强化热塑表面的抗拉强度较迄今以前所能获得的有所提高。根据本发明的强化热塑塑料表面所获得的最高抗拉强度,达到用同样热塑材料未强化的表面所形成的焊接层的约120%。
文档编号B29K105/06GK1207066SQ96199565
公开日1999年2月3日 申请日期1996年11月8日 优先权日1995年11月8日
发明者V·卡甘, C·贝纳塞克, 吕少青, G·R·史密斯 申请人:联合讯号公司