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热熔焊接技术:塑胶制品熔合缝力学性能详解

发布者:嘉能超音波  发布时间:2018-09-05  查看:次  【

文章摘要: 什么是熔合缝? 熔合缝是指熔融状态的塑胶熔料在注射入塑胶模具后因为各种原因在多股熔流之间形成的接合缝。熔合缝的形成原因主要有以下四点:

在电子产品塑胶零件开模生产前,几乎所有的公司都会要求注塑供应商提供模流分析报告,该报告中通常会包括浇口位置,可能存在的缺陷等,对于这些因素,机械设计工程师通常会重点关注,并与注塑供应商反复研讨,以确保产品生产的万无一失。但是,很多工程师往往会忽略模流分析报告中的熔合缝这一页,或者关注也仅仅是随口问一下注塑供应商产品生产出来后熔合缝会不会很明显,从而影响外观。在得到注塑供应商的否定答案后不会再深究下去。实际上,熔合缝位置的选取对塑胶制品的力学性能的影响是非常重要的。这是因为熔合缝区域的形态和结构是有别于塑胶件的其它部分的,塑胶件的力学性能在这个区域是十分特殊的,绝大多数的塑胶塑胶件的力学性能都是低于塑胶件的其它区域的,可以说是整个塑胶件中力学性能最差的区域。因此,如何改进塑胶件熔合缝的力学性能就变得十分重要。

什么是熔合缝?

熔合缝是指熔融状态的塑胶熔料在注射入塑胶模具后因为各种原因在多股熔流之间形成的接合缝。熔合缝的形成原因主要有以下四点:

  • 多浇口浇注系统形成的熔合缝。如下图所示,塑胶熔料由左右两个浇口进入模具后,会在零件中间位置接合,从而形成熔合缝,注意这种情况下,熔合缝绝大多数为一个区域,而不是像图示的那样一条线。
多浇口浇注系统形成的熔合缝
  • 塑胶零件中的嵌件或者空心孔等原因造成的熔合缝。如下图所示,塑胶熔料在遇到嵌件或者空心孔等时,会从一股熔料分成两股以绕过流动障碍物,在绕过流动障碍物又会重新汇合到一起,从而形成熔合缝。
塑胶零件中的嵌件或者空心孔等原因造成的熔合缝
  • 零件厚度的变化形成的熔合缝。如下图所示,塑胶熔料由浇口进入模具后,由于零件厚度的变化,会先分离开来,再汇合在一起,从而生成熔合缝。
零件厚度的变化形成的熔合缝
  • 熔料高速喷射到模具末端后反弹,冷固形成的波纹状熔合缝,其形成机理如下图所示。
熔料高速喷射到模具末端后反弹,冷固形成的波纹状熔合缝

熔合缝的种类

根据塑胶熔料在熔合前的汇流角度的不同,可以将熔合缝分为缝合线和熔合线,汇流角度小于135°时产生的是缝合线,大于135°时产生熔合线。不过对于产品设计工程师来说,很难去具体分析此角度,一些学者将其简单分为接缝和流线缝,笔者十分赞成此分法。所谓接缝,是指多股熔流前端直接熔合的情况,最典型的就是多多浇口浇注系统形成的熔合缝。而流线缝则是指的单股流在因为各种原因分离开后再汇合在一起的熔合缝,最典型的就是塑胶零件中的嵌件或者空心孔等原因造成的熔合缝。

  • 接缝:
熔合缝接缝
  • 流线缝:
熔合缝流线缝

熔合缝形成机理

在熔合缝生成的过程中,两股熔合流在对冲过程中,温度逐渐降低,粘度增高,如下图所示。两股熔流之间存在不断被压缩的空气。固化后,熔合缝由零件表面到内部可以分为三个区域,分别是V型缺口,弱熔合区和强熔合区,这就造成熔合缝区域的力学性能与其它区域差别很大。

熔合缝生成机理
  • V型缺口造成应力集中。有些零件的V型缺口可深达0.2mm到0.3mm。下图为显微镜下观察到的熔合缝。
熔合缝V缺口
  • 弱熔合区的不完善熔合造成的力学性能较差
  • 熔合过程中的对冲造成的熔合后分子链取向不同造成的力学性能区别。

熔合缝系数


熔合缝系数,全名为熔合缝强度系数(Weld line strength factor),通常用其来表示各种塑胶有熔合缝时强度的减弱。其值为塑胶材料有熔合缝与没有熔合缝时拉伸强度或者冲击强度的比值。对于脆性材料,即使是在最佳工艺条件下,其熔合缝系数也不会超过0.6-0.7,对于韧性材料,熔合缝系数则可以达到0.7-0.8以上。下图为一些常见材料的平均熔合缝系数,注意是一个平均值,仅供参考,工程设计中不建议直接使用。

熔合缝系数

熔合缝力学性能改善

  • 模具设计时,应该避免在塑胶制品强度与刚度最薄弱位置出现熔合缝,同时也应避免在塑胶制品受力部位出现熔合缝。随着模流分析软件的兴起,这一点对目前的塑胶模具供应商来说是比较容易做到的,零件机械设计工程师应该提早告知模具设计工程师什么地方需要受力,什么地方比较薄弱,要避免出现熔合缝。
  • 优化零件设计。比如优化嵌件位置,孔位等。也可以通过优化材料厚度或者厚度比来实现。
  • 通过模具设计控制熔合缝。比如通过优化浇口的大小,位置和数量来控制熔合缝的生成,位置,方向和性能。缩短熔流避免低温熔流的不良熔合等。
  • 优化材料配比,使用添加剂来增强熔合缝的力学性能。
  • 控制注射工艺条件。
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