高密度聚丙烯板半自動化機器人攪拌摩擦焊接參數優化

王海娜，鄭傳琴

高密度聚丙烯板半自動化機器人攪拌摩擦焊接參數優化

王海娜，鄭傳琴

（河南農業職業學院，河南鄭州451450）

采用攪拌摩擦焊可進行熱塑性材料的連接，通過攪拌頭和工件間摩擦產生的焦耳熱得以實現。相對于攪拌摩擦焊接的熱塑性塑料，傳統工具會在所焊接試樣的背面產生一道焊縫，該焊縫會在根部形成缺陷，從而降低整個試件的抗拉強度。選用的高密度聚乙烯板具有高透明度，能夠實時分析其在焊接過程中產生的形態變化。設置焊接參數為：探頭自身旋轉速度800～1 200 r/min，橫向行進速度40～ 200 mm/min，軸向力1～5 kN。此外，還分別選用高度為5 mm的方形、柱形及具有一定角度的探頭對試樣進行焊接，最終通過檢驗焊縫處抗拉強度和觀察微觀結構來評估焊縫質量。

攪拌摩擦焊；聚合物；半自動化機器人

0　前言

攪拌摩擦焊接是一種實現同種金屬和不同金屬件固態連接的新型技術。攪拌摩擦焊接基于探頭和工件間相互摩擦釋放出大量熱量這一基本原理，最初應用于鋁的焊接，如今也應用于塑料的焊接[1]。攪拌摩擦焊接可實現機器人自動化焊接、減少焊縫處的殘余應力，并使結合區保持良好的機械性能，它在保持材料原有特性方面起著重要的作用[2-3]。將耐磨旋轉探頭沿兩板間的焊縫滑動，會使該處材料逐漸熔化。由于攪拌探頭的形狀可能會影響到熔體材料的流動性能，故通過改變探頭形狀、旋轉速度及給進速度等諸多因素，分析影響高分子材料焊接強度的因素[4-5]。

1　實驗過程

1.1實驗材料及裝備

聚丙烯是一種線性烴類聚合物，廣泛應用于汽車領域、航空航天領域以及多種可重復使用的容器零部件，易風化，但對于很多酸、堿等可溶性化學試劑具有良好的抗腐蝕性。相對于其他材質塑料，聚丙烯具有更好的延性性和抗疲勞強度。實驗選用兩塊尺寸為100 mm×50 mm×5 mm的聚丙烯板和質量分數為20％的PP復合板作為母材進行焊接。實驗在尺寸為810 mm×400 mm的機器人攪拌摩擦焊機下進行，焊機主軸轉數45～1 500 r/min，探頭給進速度0.25～500 mm/min，半自動攪拌摩擦焊機實驗裝置如圖1所示。

表1　材料性能

圖1　攪拌摩擦焊接設備

該機主軸功率5 000 W，會沿x方向產生3 t的線性軸向力。此外，該機器相對于z軸而言，可分別沿x和y軸方向移動510 mm和400 mm。

1.2加工工具

分別使用圓柱形、圓柱圓錐形和帶槽的圓柱形探頭。圓柱圓錐形探頭的肩部直徑為15 mm，探針尺寸5 mm×3 mm，高度4.8 mm，其熱處理前硬度為65 HRC。柱形探頭的肩部直徑15 mm，探針尺寸為5 mm×2.5 mm，高度4.6 mm，熱處理前硬度65 HRC。圓柱圓錐形探頭直徑15 mm，探針直徑5mm×5mm，高度4.8 mm，熱處理硬度65 HRC。高速鋼探頭和探針的輪廓示意如圖2所示，工具尺寸如表2所示。

圖2　高速鋼探頭和探針示意

表2　尺寸工具mm

1.3攪拌摩擦焊接的工藝參數

聚丙烯的攪拌摩擦焊接如圖3所示。橫截面接觸面積和攪拌摩擦探針形狀對試件的混合剪切應力起決定性作用，可通過在焊件的焊縫處鉆取一個溝槽來提高其表面質量。兩板通過半自動攪拌摩擦焊接機進行焊接，主軸方向速度900～1 200 r/min，刀具給進速度5～15 mm/min，且其傾角為0°。

圖3　聚丙烯攪拌摩擦焊接

1.4拉伸剪切強度測試試樣的制備

拉伸剪切強度強度測試后的試樣示意如圖4所示。拉伸剪切強度的測試在Metmech工程實驗研究實驗室完成，該測試結果最終作為檢測攪拌摩擦焊接聚丙烯試樣抗拉強度和屈服強度的依據。

2　結果和討論

實驗通過對比研究上述幾種工具，發現圓柱圓錐形工具的焊接效果明顯優于其他兩種。因此進行三組實驗，研究不同條件下圓柱圓錐形工具的旋轉速度和給進速度對實驗效果的影響，工藝參數和實驗數據如表3、表4所示。第一組實驗設定工具的旋轉速度為900r/min，進給速度5mm/min，傾斜角0°，此時會觀察到兩板間出現很多不連續的小孔洞并且連接效果很差。第二組實驗設定工具的旋轉速度仍保持900r/min不變，將給進速度增至10mm/min，傾斜角1°，此時觀察到兩板的連接效果明顯優于第一組，這充分說明工具的進給速度對提高聚丙烯的連接性能具有重要作用，因此本實驗將工具的給進速度定為10 mm/min。第三組實驗保持工具的給進速度和傾角不變，將其旋轉速度增至1 000 r/min，此時聚丙烯的焊接效果相對于上兩組更好，且產生的孔洞數量也相對減少。但將工具的旋轉速度進一步增加到1 200 r/min時，這時焊接效果相對于1000 r/min時要差很多。因此得出以下結論：工具旋轉速度1 000 r/min，進給速度10 m/min、傾角1°時，聚丙烯的連接效果最好。

圖4　拉伸剪切強度測試試樣

表3　工藝參數

2.1工件形狀的作用效果

對焊接的聚丙烯材料進行了拉伸試驗，并將所得材料的屈服強度和伸長率進行對比，如圖5所示。峰值載荷與聚丙烯焊接試樣的位移圖像如圖6所示。由圖5可知，焊接后的聚丙烯的屈服強度約為10 MPa，為聚丙烯母體材料屈服強度的80％。一些情況下聚丙烯的焊接效果很差，無法進行拉伸測試。

表4　實驗數據

圖5　伸長率與屈服強度的對比

圖6　峰值載荷與聚丙烯焊接試樣的位移圖像

載荷-位移曲線如圖7所示。由圖7可知，焊接試樣最大的位移且在0.185 kN的峰值載荷條件下試件發生斷裂。載荷強度隨位移的變化呈正比例增加，隨載荷強度的增加，其位移也隨之增加，當某一階段試樣發生斷裂后，載荷強度降低，位移也隨之減少。

應力-應變曲線如圖8所示。聚丙烯試件焊接處最大的屈服強度約為10 MPa，屈服強度和最終的拉伸強之比約為7％。

2.2宏觀實驗

對經拉斷后試件進行宏觀試驗以尋求聚丙烯焊接后側破損的位置，該試驗表明焊縫背部的強度較低，故焊件斷裂的起始位置在其背部，如圖9所示。

2.3焊接過程中出現的缺陷

焊接過程中得到了一個非常理想的結構，這是由于焊接工具會消除聚丙烯板連接后的多余材料。刨削后的焊接材料如圖10所示，工件在低速旋轉焊接過程中會產生氣孔。仔細觀察發現，載荷力低于3kN時焊接效果不理想，氣孔區域焊件的焊接強度非常低。當聚丙烯聚合物在工具高速旋轉速度下會產生過熱并使其熔化，此時在焊件的連接部位不會出現缺陷。

圖7　載荷-位移曲線

圖8　應力-應變曲線

圖9　宏觀測試試樣

圖10　削皮

3　結論

通過選擇最佳條件下攪拌摩擦焊接的工藝參數可以實現聚丙烯板坯的焊接。為獲得有效的焊接效果，實驗選用圓錐形高速鋼作為焊接工具，此時在焊接部位能夠獲得與母體材料幾乎相同的拉伸強度曲線和應力-應變曲線結果。焊接材料的屈服強度為10 MPa，約為母材強度的45％。當主軸速度為950～1000r/min、給進速率為9～12mm/min及傾角為1°時，可得到最佳的焊接效果。

[1]王德慶，劉日明，丁成鋼，等.攪拌摩擦焊接技術的發展現狀[J].大連鐵道學院學報，2002，23（1）：75.

[2]佟建國，任學平.鎂合金攪拌摩擦焊接技術的研究進展[J].輕合金加工技術，2008，36（7）：5-7.

[3]任淑榮，馬宗義，陳禮清.攪拌摩擦焊接及其加工研究現狀與展望[J].材料導報，2007，21（1）：86-89.

[4]曹麗杰.鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷的研究進展[J].表面技術，2009，38（3）：71-73.

[5]張昭，張洪武.焊接參數對攪拌摩擦焊接質量的影響[J].材料研究學報，2006，20（5）：506-508.

Parameter optimization of friction stir welding of high density polypropylene plate semi-automation

WANG Haina，ZHENG Chuanqin
（He'nan Vocational College ofAgricultrue，Zhengzhou 451450，China）

Thermoplastic materials connection can be conducted using friction stir welding，this method by mixing head and joule heat generated by friction between the workpiece to achieve.Relative to the friction stir welding of thermoplastics，traditional tools will produce a weld at the back of the welded specimen，the weld flaw can be formed in the roots，and then reduces the tensile strength of the specimens.In view of the high density polyethylene plate used in the experiment with high transparency，can analyze the morphological changes of the generated during the welding process in real time.This experiment set welding parameters are as follows：probe rotational speed between 800～1 200 r/min，the transverse velocity is 40～200 mm/min，the axial force between 1～5 kN.In addition，also choose height is 5 mm square，cylindrical and a certain angle probe to welding specimen respectively.Finally assess the quality of weld through inspection weld tensile strength and observation of microstructure.

friction stir welding；polymer；semi-automation

TG456

A

1001－2303（2016）01－0077-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.18

2015-01-27；

2015-05-15

王海娜（1981—），女，河南洛陽人，講師，碩士，主要從事電氣自動化與電子技術的教研工作。