塑料复合薄膜超声波焊接工艺研究

1、二手超声波 wxfu塑料复合薄膜超声波焊接工艺研究（航天材料及工艺研究所，北京 100076）文摘：塑料超声波焊接技术是经济、环保、高效的连接技术。本文对12仙mPET/30 mPE 12 mPET/30 mCP两种复合薄膜进行超声波焊接工艺研究，发现焊接振幅、焊接时间、焊接压力等都影响焊接接头的热合强度。聚乙烯基复合薄膜焊接接头的热合强度明显高于聚丙烯基复合薄膜。关键词：复合薄膜，超声波焊接，工艺，PET/CPP PET/PE1 .前言塑料超声波焊接技术是借助超声波使塑料件接触面的分子快速融合在一起的 一种加热连接方法。它有时间短、表面无损坏、非焊接区域不

2、发热、无需前处理、 操作简单等优点，已经广泛地应用于航空航天、仪器仪表、食品包装、电子工业 等领域。塑料超声波焊接工艺参数与焊接设备的频率和焊接材料的形状有关，且对焊 接质量有显著的影响。绝大多数文献13报道的研究工作都是基于 20KHz的超声 波焊接设备和塑料及其复合材料的片材、板材而完成的，发现焊接质量与焊接振 幅、焊接时间、焊接压力等工艺参数有关。但针对塑料薄膜的超声波焊接研究的 报道很少，吴德光4对包装塑料聚酯（12NHPETP） /低密度聚乙烯（100仙mLDPE） 膜、PETP （12m） /AL（12 仙 m）/LDPE（75m）月M, Alejandro 等对厚度为 0.254

3、 1.016mm热塑性聚氨酯（TPU）薄膜等进行了超声波焊接的探索性研究，薄膜厚 度在100 以上，焊接设备频率为20KHz，但他们都没有系统地研究塑料薄膜的 焊接质量与工艺参数的关系。本文利用40KHz超声波设备对总厚度小于50m的聚酯（12以mPET） /聚丙烯 （30仙nCPP）和聚酯（12以mPET） /聚乙烯（30以mPE）复合薄膜进行焊接工艺研究，得到了焊接振幅、焊接时间、焊接压力等工艺参数对焊接接头热合强度的影 响规律。2 .实验2.1 试样准备首先通过干式复合法制备 12 gPET/30叩PE、12叩PET/30 pmCPP双层复合薄膜，沿复合薄膜的纵向取样，如图 1。上下两片

4、试样应采取简单的平面搭接形式， 使用胶带将它们固定在一起，避免试样在焊接过程中产生滑动，焊接线保证上、 下两片焊接试样与焊缝完全平行。坪楸营明图1塑料薄膜超声波焊接试样图2.2 设备本文选用美国必能信公司生产的 2000f型塑料超声波焊接设备。超声波工作频 率为40KHz，焊接时间为0.001s10s,焊接压力为63N600N,焊接振幅为0pm 10pm。在本文的焊接实验中，保压时间均为 0.5s,保压压力均为70N。2.3 性能测试焊接接头热合强度测试参考塑料薄膜包装袋热合强度试验方法(QB/T2358 -98)。在中国科学院长春科新实验仪器研究所生产的 WD-40025型电子万能试验机 上

5、进行。3结果与讨论3.1焊接振幅对焊接接头热合强度的影响振幅是塑料超声波焊接中首要选择的工艺参数。本文针对12叩PET/30 pmCPP、12叩PET/30叩PE复合薄膜进行超声波焊接，焊接振幅对焊接接头热合强度的影 响规律如图2。从图2中可以看出：1）聚酯/聚丙烯复合薄膜焊接接头的热合强度开始随着焊 接振幅增加而增加，当焊接振幅达到 5叩后，接头的热合强度基本保持不变，直 到焊接振幅超过7叩后，接头的热合强度迅速下降。2）聚酯/聚乙烯复合薄膜焊 接接头的热合强度在2四10 Pm振幅范围内基本不变，振幅变化对接头热合强度 的影响不明显。超声波焊接过程中，由摩擦振动机理和应力应变的储能及转换机理

6、可知：部 分机械能要转化成使塑料熔融的热能，如公式（1）2 2''Q ='；0E2（1）Q一单位时间内平均消耗能量；一频率；0一应变振幅；E''一塑料损耗模 量。从公式（1）可知，单位时间内平均消耗的能量与振幅的平方成正比，转化能 量的多少直接影响塑料焊接界面温度的高低，因此振幅增加有利于能量扩散，当 振幅达到一定值后提供的热能才能使高分子熔融，振幅就存在一个下限值；当振 幅超过某一上限值，转化的热能就增多，过多的热能可能使高分子分解氧化，产 生飞边气泡等，降低了焊接接头质量。因此对于聚丙烯基复合薄膜而言，焊接振 幅存在下限值和上限值。超声波焊接中能量的

7、扩散不仅与振幅有关，还与材料的损耗模量有很大关系。 不同材料的损耗模量也不相同。由于聚乙烯的损耗模量远远大于聚丙烯的损耗模 量，在40KHz超声波工作频率下聚乙烯的损耗模量比聚丙烯损耗模量大0.2GP+,焊接中聚乙烯基复合薄膜机械能的转化能力远远大于聚丙烯，由于设备振幅的变 化范围较小，为Om10m,因此振幅变化对聚乙烯基复合薄膜的影响作用相对 较弱。3.2 焊接时间对焊接接头热合强度的影响焊接时间是一个对焊接质量有重要影响的工艺参数。本文针对 12叩PET/30叩CPP、12叩PET/30叩PE复合薄膜进行超声波焊接，焊接时间对焊 接接头热合强度的影响规律如图3。从图3中可以看出，1）两种复

8、合薄膜焊接接头热合强度随时间的变化规律是 相同的，随着焊接时间的增加，焊接接头的热合强度呈现先增大后减小的变化趋 势；2）聚酯/聚乙烯复合薄膜先于聚酯/聚丙烯复合薄膜达到最大焊接接头热合强 度值。因为在超声波焊接过程中，焊接界面产生的温度与焊接时间成正比，焊接 时间增加，在复合薄膜内层两接触界面产生的温度就升高，温度越高，界面熔化 的塑料就越多，上下表面在压力作用下相互结合的就越充分，熔融区域的分子链 之间缠结就更加充分，宏观表现为焊接接头的热合强度升高；但是太长的焊接时 间会降低焊接接头的热合强度。一方面，过度的热量使得焊接热影响区的面积变 大和边缘热应力集中更加明显，焊接边缘容易断裂；另一

9、方面，由于薄膜的厚度 仅为几十微米，过度的热量在纵向传递过程中，容易影响复合薄膜本身的性质， 使原本取向的外层薄膜材料变的无序。复合薄膜中聚乙烯比聚丙烯的熔点低，损 耗模量大，在较短时间内能够在焊接界面产生使其熔化所需能量，所需焊接时间 就短。度强合热头接0123456789 1011 焊接振幅/ am 12 |1 mPET/30R mPE焊接时间为2.5s,焊接压力为150N)* 12 |1 mPET/30|i mCPP焊接时间为2.25s,焊接压力为150N)383532292623200 0.5 1 1.52 2.5 3 3.54焊接时间/S12|i mPET/30|i mPE焊接振幅为

10、 IOriii,焊接压力为150N)H 12|i mPET/30|i mCPP焊接振幅为 4.5 科卬焊接压力为150N)度强台热头接图2接头热合强度与振幅的关系图3接头热合强度与焊接时间的关系3.3 焊接压力对焊接接头热合强度的影响在焊接工艺参数中，焊接压力也是影响焊接质量的关键因素之一。本文针对12叩PET/30叩CPP、12叩PET/30叩PE复合薄膜进行超声波焊接，焊接压力对焊接接头热合强度的影响规律如图4 o145 170 195 220 245 270焊接压力/N12mPET/30 （mPE解接振幅为 10 m,焊接时间为2.5s）T 12 mPET/30 （mCPP娓接振幅 为4

11、.5皿焊接时间为2.25s）图4接头热合强度与焊接压力的关系从图4中可以看出：对于两种复合薄膜而言，都存在一个最佳的焊接压力值。焊接接头的热合强度开始随着焊接压力的增大而迅速增加，当超过150N后，接头的热合强度随着焊接压力的增大而迅速降低。因为较低的焊接压力不能使接触面 紧密结合，存在大面积的空气区域，在一定时间的超声波作用下，大部分超声波 振动损失在空气中，界面摩擦升温很不充分，形成的熔合区域很不均匀，接头的 热合强度不高。当焊接压力达到一定值后，可以认为界面结合的很紧密，界面温 度迅速升高。压力有利于高分子链的扩散，焊接接头区域形成致密结构，在一定 范围内热合强度也升高。但是焊接压力过高

12、，熔融高分子挤出流动加快，高分子 链沿焊接表面横向排列，边缘热应力集中加剧，引起焊接边缘脆性断裂。止匕外， 焊接压力增加，金属焊头边缘容易对薄膜造成损伤，导致热合强度突然降低。4.结论1)在适宜的焊接振幅范围内(5叩7叩)聚酯/聚丙烯复合薄膜的焊接接头 热合强度高，当复合薄膜选用损耗模量较大的聚乙烯作为内层材料时，焊接振幅 对焊接接头热合强度的影响作用减小。2)随着焊接时间的延长，两种复合薄膜焊接接头的热合强度呈现先增加后减 小的变化趋势，当复合薄膜达到最大的焊接接头热合强度时，低熔点的聚乙烯基 复合薄膜所需时间比聚丙烯基复合薄膜短。3)当焊接压力约为150N时，两种复合薄膜的焊接接头热合强度

13、均达到最大 值。4)聚酯/聚乙烯复合薄膜焊接接头热合强度高于聚酯/聚丙烯复合薄膜的热合强度。参考文献：1 Avraham B et al. Ultrasonic Welding of Thermoplastics in theNear-Field. Poly.Eng.Sci, 1989, 29 (23): 16892 Avraham B et al. Ultrasonic Welding of Thermoplastics in theFar-Field. Poly.Eng.Sci, 1989, 29 (23): 16993 Erol Sancaktar; Eric Waleker. Effe

14、cts of Calcium Carbonate, Talc, Mica and Glass-Fiber Fillers on the Ultrasonic Weld Strengh of Polypropylene Jounral of Applied Polymer Science, 2004, 94 (4)： 1986.4吴德光，论包装塑料膜的焊合与质量，云南农业大学学报，1996, 11 (1): 39.5 Alejandro A et al, An optimization study of the ultrasonic welding of thin film polymers,

15、Proceeding of ASME Design Engineering Technical Conference, 2004, 1: 75Study on processing of ultrasonically welded laminated filmsGaoyang Zhao Yunfeng(Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology, Beijing 100076) Abstract: Ultrasonic plastic welding is a kind of economic and effective bonding technology. The paper studies ultrasonically welding processing of 12 仙 mPET/30(i mPE and 12 仙 mPET/30(i m