振动焊接的热塑塑料接合处性能的改善制造技术

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。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。专利技术的背景本专利技术涉及振动焊接，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。本专利技术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
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。本专利技术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。本专利技术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。根据本专利技术，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。专利技术的说明本专利技术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。本专利技术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
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专利技术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，当根据本专利技术进行振动焊接时，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。根据本专利技术，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
内的专业人士，可以很本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：V·卡甘，C·贝纳塞克，吕少青，G·R·史密斯，
申请(专利权)人：联合讯号公司，
类型：发明
国别省市：