文摘
焊接的焊接因素显著降低纤维增强热塑性塑料比无筋热塑性塑料焊接焊缝由于纤维取向。本文从调查结果初始纤维取向的影响在热板焊接强度和振动焊接对玻璃纤维增强聚丙烯、聚酰胺6。注射模制标本相比标本主要初始纤维取向是纵向和横向连接方向。CT分析的结果的纤维取向焊缝展示机会实现更高的焊接强度通过标本与加入纤维被最初的纵向方向。最初的纤维取向的影响在零件焊接在热板焊接的焊接强度明显大于振动焊接。
1。介绍
纤维增强塑料的应用领域特别是由于其高潜力增加轻量级设计。高强度和刚度、低密度的结合使越来越多使用的纤维复合材料(1]。消极的方面是材料的各向异性性质。纤维只有加强效应时负载方向保持一致。垂直于加载方向,矩阵必须提供完整的伸长导致高当地的压力。因此,面向纤维被横向载荷方向甚至可能削弱矩阵(2]。
生产塑料和复合组件,加入是重要的一步。在焊接过程中,焊接的零件的表面熔化,例如,通过接触加热工具。熔融表面压在一起,下一步。在此加入阶段,熔体流动发生在界面。通过冷却形成的焊缝终于[3]。
在纤维增强材料的焊接,实现焊接强度低而增强材料的材料强度。焊接因素被定义为焊接强度相对于nonwelded参照样本的强度远小于1。Bruessel为例,实现了焊接因素0.6聚丙烯(PP)的热板焊接钢筋短玻璃纤维为30%。聚酰胺(PA)最高30%短玻璃纤维增强焊接因子为0.5。焊接因素随纤维含量增加(4]。卡根实现焊接0.39倍振动焊接的玻璃纤维增强尼龙6纤维含量为45% (5]。Gehde等人发表的调查结果对PP钢筋焊接随机玻璃垫为25%。在热板焊焊接因素是0.42和0.14到0.35在振动焊接6]。相反,在无钢筋焊接塑料焊接因素之一是可以实现的4,7]。
低的原因纤维增强材料的焊接因素焊接焊缝连接到纤维取向。面向纤维加入方向垂直。图1显示的流量资料挤流和由此产生的纤维取向的焊缝。由于挤压流,纤维发生在重新加入阶段(4,6,8,9]。由于纤维负载方向不一致,对应于加入方向,没有焊接纤维的增强效果。
各种已进行调查的可能性,防止纤维取向是垂直于加载方向焊接,从而达到更高的纤维增强热塑性塑料焊接焊接因素(4,6,10- - - - - -12]。调查影响因素是纤维取向之一nonwelded部分被称为初始纤维取向以后。Bucknall等人相比,焊接的优势首次纤维取向方向平行和垂直于加入玻璃纤维增强PP的热板焊接。焊接强度达到最高的没有区别的初始纤维取向。作者解释这类似的纤维取向的纤维取向在焊接的焊缝独立(8]。卡根等人的结果表明,振动焊接的玻璃纤维增强尼龙6和PA66纤维的增强效果的焊接是独立的纤维取向在焊接的部分10]。等调查没有显示不同的结果。在《Kunststoff-Zentrum (SKZ)在维尔茨堡,注塑semitensile酒吧准备达到最初的纤维取向被纵向加入方向。因此,流路径的最后一个semitensile酒吧锯,锯表面是用作表面在热板和红外焊接连接。注塑件的焊接强度实现相比,焊接强度达到对聚丙烯(PP)成型零件,聚酰胺6(尼龙6)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)高达40%了短玻璃纤维。最初的纤维取向的加入方向纵向锯部分不明显导致更高的焊接强度。例如,热板焊接的焊接强度成型零件的注塑件的高于纤维含量25%和40%,但较低的纤维含量15%7]。
虽然高努力研究纤维增强热塑性塑料的焊接制造,仍然没有解决方案一般低焊接因素的挑战。因此,目前调查Kunststofftechnik帕德伯恩(KTP)处理的可能性,改善焊缝的纤维的增强效果。本文从调查结果初始纤维取向的影响在热板焊接强度和振动焊接对玻璃纤维增强聚丙烯、聚酰胺6。目的是确定潜在的一个特定的纤维取向方向加入之前焊接。
2。材料和方法
2.1。材料
5材料用于生产加入由注塑部件。被选出的三种类型的聚丙烯确定短期和长期的影响玻璃纤维在焊接:无钢筋聚丙烯均聚物(LyondellBasell Moplen惠普501 L),短玻璃纤维增强聚丙烯纤维含量为30% (Altech NXT PP-H 2030 - 450火焰杯,第30章CP,阿尔比斯河),和长玻璃纤维增强聚丙烯纤维含量为30% (TechnoFiber PP LGF 30-10-01 L嗨,TechnoCompound)。为调查聚酰胺粘度的影响,两种类型的玻璃纤维增强聚酰胺6纤维含量为30%不同的粘度特性:使用聚酰胺与改善流动性,因此低熔体粘度(Durethan BKV 30 h2 EF)和聚酰胺热板和振动焊接的可焊性有所改善,因为高熔体粘度剪切速率范围内相关焊接(Durethan BKV 330的h2,朗盛)。图2描述了使用的材料的粘度曲线,确定用高压毛细管流变仪(2002年龄记录仪,Goettfert)常见的焊接温度。
2.2。量化的纤维取向
1987年,阿德瓦尼和塔克提出了一个替代方法的概率分布函数的描述纤维取向(13]。在该方法中,纤维取向是由一个三维的纤维取向张量描述。这个描述的基础是取向的定义一个刚性圆柱纤维在三维空间的两个角(图3)。
配方的基础上一个单位向量与笛卡尔组件,,,取向张量可以创建。取向张量的分量是二元向量的产品;例如,。
取向张量 组件的原则取向张量的对角线(,,)代表的取向- - - - - -,- - - - - -,方向。这些值的总和是1。的价值取向张量的分量可能代表单个纤维的取向或平均值几个纤维。一个统一的纤维取向方向,例如,为代表等于1时和等于0。的组件与在几个飞机代表方向的倾斜。由于没有额外的信息,包括这些组件在这些调查,分析原则对角线上的组件是充分的分析的主要纤维取向在这里(14,15]。
分析纤维取向的部分是焊接焊缝,使用计算机断层扫描(CT)。这种方法提供了三维扫描部分的记录。识别与不同密度的材料和地区。纤维的检测是实现了灰度值梯度的分析。调查一个凤凰nanotom年代(通用电气传感)使用。
2.3。样品制备
零件在注塑生产。盘子的尺寸60毫米×60毫米×2毫米(板1)注射成型热板焊接。振动焊接、盘子的尺寸130毫米×70毫米×3毫米(板2)注射成型。不同的样品厚度是连接到不同的焊接方法。能够使用振动焊接机(见部分2。4)在一个适当的范围内的焊接力,一部分需要超过2毫米厚度。部分厚度的纤维取向的影响下属。更果断的产生的纤维取向是两个不同的注塑工具与不同的浇注系统16,17]。
没有任何进一步的准备,这些板焊接结束时的注塑流动路径确定零件的焊接强度标准注塑(图产生的纤维取向6(左)。流中的纤维取向通道流动路径的最后在注塑件结果流量剖面示意图见图4。中间的部分厚度、纤维的横向伸长的流向,因为流。在墙壁附近的剪切区纤维对齐剪切流的流向,因为[18]。在边缘层,面向纤维的统计。结束时流道纤维有一个无序的方向。偏好取向是横向流动方向(16,19]。
通过CT分析、纤维取向可以通过纤维取向张量描述(见部分2。2)。图5显示了进步的纤维取向张量的分量部分(设在)和流动方向(设在)被描绘在图4示意图(进步的纤维取向张量的分量方向是恒定的边缘除外)。,,表示方向的纤维取向(厚度和挤压流动方向焊接部分),注射成型(流方向,加入在焊接方向),和(试样宽度和振动方向振动焊接方向)。在3毫米的位置从流道的结束,增加和减少而是恒定的。开始在大约0.5毫米的流动路径开始增加,开始减少。很明显,最后流的路径,通常焊接区放置的位置,方向加入方向()很低。这表明,很难实现高取向加入方向焊接(等于负载方向)。因此,板焊接前准备为了创建加入部分定义的纤维取向是纵向和横向加入方向(图6、中、右)。
图7显示了从CT图像分析注射模制板尺寸60毫米×60毫米×2毫米PP-LGF30。纤维取向是半圆形的来自电影门口。在外侧边缘,纤维主要是面向纵向流动方向。结束的时候流路径,纤维取向主要是垂直于流动方向。基于这些结果,锯板焊接前准备。通过削减一半沿流动方向的板和焊接切割表面的半盘子,切割表面的纤维高度取向方向加入(图8)。通过切断大约3到4毫米的侧边缘板,切割面,纤维取向方向垂直于加入。切割面代表表面连接。
图9描述了纤维取向在加入区域板锯如图8在左边。加入的取向方向()与0.43相比是相当高的注塑后(图的一部分5)。在图10纤维取向在注射模制板的横向边缘被描述。很明显,纤维取向是恒定的约2毫米的边缘。因此,如上所述,侧板的边缘被切断在3 - 4毫米的边缘。在加入区域,纤维主要是面向方向而和在相同的低水平。
当纤维取向的研究进展设在,很明显,纤维取向不是常数由于流量剖面。因此,纤维取向张量在位置的确定设在:在中间(部分的厚度是焊接),转换到珠之间,。三个值的平均值计算进行进一步分析。在表1,平均纤维取向张量的分量值列出短期和长玻璃纤维增强聚丙烯三个不同部位的焊接(图6)。高值的部分与加入纤维的纵向方向以及高值的部分与加入纤维的横向方向以粗体突出显示。
相同的程序如上所述板材热板焊接已经完成振动注射成型板的焊接。类似于热板焊接、纤维取向张量的分量三部分的焊接与不同初始纤维取向表中列出2振动焊接。
图11描述了纤维取向在加入区域板锯如图8在左边。加入的取向方向()与0.45相比是相当高的注塑后(表的一部分2)。在图12纤维取向在注射模制板的横向边缘被描述。加入地区在3 - 4毫米的边缘,主要面向的纤维方向而和在类似的低水平。板材相比,热板焊接(图10)的取向程度方向并不高。这些差异是连接到不同的几何形状,厚度和注塑工具的两个板块。
确定材料强度,拉伸酒吧标本1型维度的英航在DIN EN ISO 527 - 2磨从标本长度与注射成型中熔体的流动方向。节中描述的材料强度决定2。5。
2.4。焊接
焊接考试进行的热板焊接机K2150 (Bielomatik Leuze GmbH & Co .公斤)。选择重要的热板焊接工艺参数是描绘在图13。根据表的参数是不同的3。值0级是基于由他推荐值,指南,和经验20.,21]。融化层厚度的长度是熔融区加热阶段结束时的表面在接触到热熔融加热板(温度)。描述与部分厚度吗。焊接位移描述与实现融化层厚度的焊接速度。等其他参数匹配时间、位移和冷却,对于所有的测试时间是固定不变的。相关的参数组合下表中列出的描述进行了调查4。每个设计点代表一个参数组合。
考试有关振动焊接进行了线性振动焊接机LVW 2020年共产党(九龙及Ultraschall AG)。最大的焊接力4.7 kN。图14显示选定的参数振动焊接。这些参数是根据表不同5。值0级是基于准则和经验(22,23]。焊接的表面由焊接压力压在一起。振动运动的振幅由于摩擦,表面变成熔融。当定义焊接位移获得,振动停止,冷却后的焊接过程完成阶段。在焊接过程中有双重阶段焊接压力,第二压力选择低于第一个。这使得快速融化的表面结合高融化层厚度导致更高的焊接强度(无筋)材料。冷却时间等参数,对于所有的测试和振动频率是固定不变的。相关的参数组合下表中列出的描述进行了调查6。每个设计点代表一个参数组合。
2.5。拉伸试验
焊接强度的测定和材料强度,拉伸测试根据DIN EN ISO 527。所有材料的选择测试速度是20毫米/分钟。振动焊接板切成四块20毫米的宽度,使固定在拉力测试。制备的热板焊接抗拉酒吧之前没有必要测试。
3所示。结果与讨论
3.1。影响焊接强度
热板焊接的焊接参数不相关板块的焊接强度与不同初始纤维取向。因此,只有两位杰出的设计点为每个材料被认为是在下面。图15显示了热板焊接的焊接强度的inj注射模制板没有任何进一步的准备”。塑造“面向板相比,最初的纵向纤维取向(长。面向)和横向(transv面向加入方向。面向)。酒吧代表平均值和错误栏表示标准偏差。短玻璃纤维增强PP, PA,焊接强度最高的注射成型板没有任何进一步的准备。在一个案例中描述为每个材料,钢板的焊接强度与初始纤维取向被纵向加入方向是高于板与加入纤维的横向方向焊接前的部分。每个材料的其他设计点显示了相反的结果。相比之下,长纤维增强聚丙烯,纵向初始纤维取向,可以获得更高的焊接强度相比,注射模制板没有任何进一步的准备。与这相比,面向板纤维是最初的横向加入方向,焊接强度显著降低。 The partly very high standard deviation can be ascribed to the preparation of the parts to be welded by a circular saw. Consequently, in hot plate welding of long glass fiber reinforced materials, it is possible to attain significantly higher weld strength than for plates with fiber orientation resulting from injection molding in the end of the flow path.
图16显示了设计点振动焊接的焊接强度,导致焊接强度最高和最低的注射模制板没有任何进一步的准备。相比,焊接强度是不同的初始纤维方向类似于热板焊接。PA-GF30EF不敏感反应不同初始纤维取向;焊缝强度达到类似水平高标准差时考虑。初始横向纤维取向不会导致显著不同的焊接强度相对于初始纵向纤维取向短玻璃纤维增强材料。PP-LGF30,一个焊接参数组合导致更高的焊接强度与纤维板块被最初的纵向比注射模制板。但这种差异并不重要。振动焊接,因此不可能达到更高的焊接强度高的面向纤维加入方向的纵向焊接部分。实现焊缝强度的差异首次加入方向纤维取向被纵向横向相比初始纤维取向明显不如在热板焊接。
比较与材料强度(表获得焊接强度7),低焊接因素变得明显。短玻璃纤维增强材料,在热板焊接焊接因素达到最高的纤维取向造成注塑:0.61 PP-GF30, PA-GF30EF PA-GF30 0.83, 0.69。相比之下,长玻璃纤维增强材料注塑件的焊接因素可以增加到0.61(0.42)与纤维被最初的纵向焊接部分加入方向。振动焊接、注塑的最高焊接因素达到板没有任何进一步的准备(PP-LGF30 PP-GF30 0.56, 0.37,和0.67 PA-GF30) PA-GF30EF除外。最大的纵向焊接因素初始纤维取向是0.50略高于0.47注射模制板。显然,最大焊接因素振动焊接低于热板焊接。
3.2。对纤维取向的影响
为了解释不同的焊缝强度对不同初始纤维取向,焊缝中的纤维取向进行了分析。
3.2.1之上。热板焊接
当比较的纤维取向焊接(图17)与初始纤维取向在注射模制板没有任何进一步的准备(图5),纤维取向的变化由于焊接过程进行分析。上面的图表描述了部分厚度(以及纤维取向设在)。不同的纤维取向张量的分量焊后只是观察到在边缘地区。比较纤维取向张量的分量的值附近的边缘(= 0.9 nonwelded部分)和过渡到焊缝附近(在焊接部分= 1.0)显示了增长由于焊接过程的173%。纤维取向方向加入()减少了约55%。这显示了高的影响挤压流动导致纤维的重新定位方向,到珠。此外,增加了约27%。类似的结果是观察到的其他材料。
看看的纤维取向的进步方向,焊接很容易探测。在焊缝高于超出焊接区域和较低。的进步,,在方向对焊接的焊缝类似于定向流动路径的结尾部分:增加而和减少。但纤维取向的变化是由于焊接更为明显:大约是60%高于注射成型流动路径的最后一部分,在吗低13%,是低26%。这种趋势也有效的其他材料。但是减少的更明显的短玻璃纤维增强材料:在焊缝约40 - 50%小于在加入平面部分的焊接。
由于在加入低纤维取向方向流动路径的最后一部分,焊缝的位置一般,似乎合乎逻辑的纤维取向方向加入的比例在焊缝相对低。
焊接(图中的纤维取向18)相比,纤维取向与初始焊接部分纤维取向纵向加入方向(图9)显示了注射模制板类似倾向。部分厚度(以及方向方向)变化只在边缘地区由于焊接。增加焊接过程中因为纤维的调整——方向。因为高取向的焊接方向的一部分,仍然是相当高的焊缝中间的部分。注射模制板相比没有任何进一步的准备,近四倍。
看的纤维取向的进步方向,焊接显然是检测。更高的比除了焊接区和焊接吗和较低。虽然焊缝位于一个区域的部分,许多面向纤维的纵向方向加入,大大减少由于焊接的挤流:在焊接部分是0.47,只有0.18的焊缝。相比之下,增加焊接,这样它三倍比部分焊缝的焊接。在焊接略有减少。因为这些结果也决定的其他材料,显然表明,纤维的重新定位发生在热板焊接甚至对“好”纤维取向在焊接前的部分高份额的纤维取向方向加入。而更多的纤维方向面向焊缝仍在加入部分相比,焊接产生的纤维取向注塑、纤维取向方向也更高。“更好”的纤维取向在一定程度上补偿更高的纤维取向的挤流方向。
增加的纤维取向的方向挤流焊接也观察到的地区,最初加入方向(数据被横向纤维取向10和19)。中间的部分,不改变纤维取向。
与上面的结果相比,焊接中没有明确体现出来的纤维取向方面的进步设在。仅略有增加由于轻微的减少。焊缝一样高的焊接部分。挤压流在焊接时不影响纤维取向最初的纤维取向是横向PP-LGF30加入方向。短玻璃纤维增强材料、纤维的重新定位由于挤压流更加明显。但增加的可以归因于的减少,的取向明显方向不会改变。
已经显示在图15,可以达到一个更高的焊接强度更高比例的纤维取向方向加入部分焊接。图20.说明纤维与初始焊接纵向纤维取向更强烈的加入方向的纤维取向造成注塑部分连接。一个高在焊接使焊缝强度高。然而,加入的取向方向不能唯一的影响因素。虽然高初始横向纤维取向,焊缝强度低而注塑件。
在图21纤维取向的,CT图片首次显示了焊缝纵向纤维取向。图22显示了部分焊缝中的纤维取向的纤维取向造成注塑在相同的焊接参数。在第一种情况下,有一个区域的中间焊缝与几个纤维仍在面向连接的方向。挤流的流量很低为零(图中间的连接部分1)。因此,重新定位在中间很低。加入的纤维取向纵向方向nonwelded部分是焊接期间保持。甚至一些纤维桥导致焊缝强度高的焊接。相比之下,在注射模制品没有任何进一步的准备,纤维只面向横加入方向。面向纵向纤维之间只有存在中间和边缘的部分。这些区域受到更高的流速在挤压流,如图1。因此,这些纤维被调整对挤流方向焊接,因此面向横向焊缝的连接方向。中间的纤维取向的不同焊缝的焊接是一种解释的优势。最初面向纵向纤维使纤维桥接的焊缝,因此更高的焊接强度长玻璃纤维增强PP。
在热板焊接短玻璃纤维增强PP、纤维取向与最初的纤维取向方向也高纵向加入方向(图23)。然而,在长玻璃纤维增强聚丙烯相比,焊接强度高并不是实现尽管更高。对注塑件焊接强度高于纤维是面向部分最初纵向加入方向进而导致焊接强度高于初始横向纤维取向。这些结果也适用于聚酰胺。由于聚酰胺类型与不同的熔体粘度的结果没有显著差异,结果表明,熔体粘度不影响纤维在挤流的重新定位。
CT分析短玻璃纤维增强材料的焊缝确认结果长玻璃纤维增强PP。图24显示了纤维取向PA-GF30EF初始纤维取向是焊缝的纵向连接方向。中间还有一个区域焊缝的纵向纤维仍面向加入方向和一些纤维甚至大桥焊接。但在PP-LGF30相比,纤维桥接不会导致更高的焊接强度短玻璃纤维增强材料(图15)。
3.2.2。振动焊接
热板焊接相比,显著增加由于焊接不确定振动焊接。注射成型PP-LGF30制成的板,从表0.19(仅略有增加20.21)焊焊接参数(图25),而它甚至为其他焊接参数减少到0.14。相同的是其他材料的检测。在焊接减少高达20%,而增加多达20%。振动方向的纤维取向的增加(方向)的加入的纤维取向方向(方向)不是明显短玻璃纤维增强材料,但仍然显著。与热板焊接,焊缝不容易被看的纤维取向的进步设在。在焊缝仅略高于超出焊接区域。
因为之前有调查表明,焊接位移不影响焊缝的纤维取向值得注意的是,它是适合注塑件设计点的,我是在DP三世被认为是下面的分析。
与最初的纤维取向部分被纵向加入方向,焊接不改变纤维取向在热板焊接(图一样明显26)。减少了约10%增加了约10%。加入的纤维取向方向相似零件的焊接和焊接。
焊接的部分初始纤维取向是横向加入方向,0.7显著高于在焊接前的部分(图0.4727)。和分别减少50%和35%。
热板焊接相比,挤压流切向作用在纤维的重新定位振动焊接。系统的提高没有检测到。在焊接的费用增加和。重新定位效应的振动运动是挤流相比更加突出。热板焊接的另一个差异是明显的,当看着的纤维取向的进步设在。剩余的融化层振动焊接比在热板焊接小得多。因此焊接不容易检测的纤维取向的变化。
图28表明,焊接强度与初始纤维取向被纵向加入方向是低于注塑件尽管加入更高的纤维取向方向。PP-LGF30,初始纤维取向在横向方向加入结果显著降低焊接强度。短玻璃纤维增强材料,实现焊接强度是独立于最初的纤维取向(图29日)。锯板的焊接强度会低于注射模制板没有任何进一步的准备。
图30.显示的CT图像焊缝初始纤维取向的两个板块纵向PP-GF30加入方向。这张照片不不同于短玻璃纤维增强聚酰胺的照片。热板焊接相比,没有明显的纤维取向方向加入。因此,没有纤维桥焊缝。大多数纤维在焊接是可见的点,这意味着他们是面向垂直于飞机的方向。的纤维取向方向在焊接前的一部分被调整在焊接的振动方向。没有明显的纤维取向的在焊接方向。
4所示。结论
在大多数应用程序中,焊缝放置在注塑件的流动路径。在这个领域,面向纤维通常是垂直于流动方向的熔体在注射成型。由于这个特征纤维取向似乎很难实现一个有利的纤维取向的焊缝对应于一个高比例的纤维取向方向加入。因此,部分连接准备加入地区获得一个特殊的初始纤维取向:部分面向高比例的纤维的纵向或横向的加入方向。焊接强度和纤维取向在不同初始纤维取向的焊缝进行了分析。
长玻璃纤维增强聚丙烯的热板焊接为部分与最初的高纤维取向在纵向方向加入更高的焊接强度比加入部分获得的纤维取向造成注塑流程结束。焊接强度越高可以归结于一个更高的纤维取向的焊缝。在加入的中间部分,甚至纤维桥接焊接。纤维桥接只会导致更高的焊接强度长玻璃纤维增强聚丙烯;短玻璃纤维增强材料的焊接强度不能增加更高的初始纤维取向被纵向加入方向。然而,纤维的重新定位方向,珠,由于焊接挤压流发生独立的初始纤维取向。面向更多的纤维最初纵向方向加入,更多的纤维取向的增加在焊接方向明显。这意味着更高的有利的纤维取向方向加入可能被更明显的纤维部分补偿由于挤压流重新定位。一个高在焊接使焊缝强度高但不是唯一的影响因素。
振动焊接,一个初始纤维取向被纵向加入方向不会导致更高的焊接强度长或短玻璃纤维增强材料。最初的纤维取向不影响焊接强度在热板焊接一样明显。原因是不同的再定位影响振动焊接相比,热板焊接。热板焊接相比,挤压流切向作用在纤维的重新定位振动焊接。振动运动结合焊接压力导致增加纤维取向方向振动在焊接初始纤维取向的独立。
我们已经表明,更高的焊接强度在热板焊接是实现高初始纤维取向方向加入加入地区至少长玻璃纤维增强材料:焊接因素可以增加了约45%。这表明的重要性在注塑的努力达到高纤维取向的地区流向焊接的目的是成为所在地。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
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