塑料复合薄膜超声波焊接工艺研究

塑料复合薄膜超声波焊接工艺研究

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12μmPET/30μmPE和12μmPET/30μmCPP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/PE

1.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。

塑料超声波焊接机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^[1～3]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（12μmPETP）/低密度聚乙烯（100μmLDPE）膜、PETP（12μm）/AL(12μm)/LDPE（75μm）膜，Alejandro等^[5]对厚度为0.254～1.016mm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100μm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50μm的聚酯（12μmPET）/聚丙烯（30μmCPP）和聚酯（12μmPET）/聚乙烯（30μmPE）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12μmPET/30μmPE、12μmPET/30μmCPP双层复合薄膜，沿复合薄膜的纵向取样，如图1。上下两片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。

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型塑料超声波塑焊机。超声波工作频率为40KHz，焊接时间为0.001s～10s，焊接压力为63N～600N，焊接振幅为0μm～10μm。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12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE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5μm后，接头的热合强度基本保持不变，直到焊接振幅超过7μm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2μm～10μm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可知：部分机械能要转化成使塑料熔融的热能，如公式(1)^[2]

                                                            （1）

Q—单位时间内平均消耗能量；ω—频率；ε₀—应变振幅；E′′—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0.2GPa^[1]，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0μm～10μm，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12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE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。

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12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE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。

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，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。此外，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（5μm～7μm）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。