Moldflow在熔接痕分析中的應用

劉 磊

(新余學院機電工程學院，江西 新余 338004)

熔接痕是注塑成型制品中一種常見的質量缺陷，它不僅影響產品的外觀質量，而且會降低產品的整體強度，易于產生應力集中，導致產品開裂，縮短產品的使用壽命[1]。因此，熔接痕的預測與控制一直是注塑成型中的熱點研究問題。CAE模流分析技術能夠對注塑充填過程進行數值模擬，得到溫度、壓力、困氣等分析結果，使模具設計人員能夠提前預測與控制熔接痕，避免了反復的試模、修模、改模，從而縮短開發周期，降低成本，提高產品質量。

1 熔接痕概述

1.1 熔接痕的形成機理與評價標準

在注塑成型過程中，當有兩股或兩股以上料流匯合時，由于模溫較低，制品表面冷卻較快，在制品表面匯合的熔體不能很好地熔合而形成的接縫，稱為熔接痕。

如圖1所示，箭頭為兩股料流的流動前沿方向，θ為匯合角，一般來說，θ小于135°稱為熔接痕(weld line)，θ大于135°稱為熔合線(meld line)，熔合線的質量要好于熔接痕，匯合角對熔接痕的質量有重要影響，因為它會影響熔接后分子鏈熔合、纏結、擴散的充分程度，匯合角越小，熔接痕質量越差。

圖1 熔接痕形成示意圖

熔接痕的深度是熔接痕的評價指標，可通過表面粗糙度計來測量，2 μm深度是熔接痕可見與不可見的分界線。匯合角與深度大致成線性關系，匯合角越小，深度越大，熔接痕質量越差。匯合角為75°時，深度剛好為2 μm。使用Moldflow可分析出熔接痕的匯合角度，由此可預測熔接痕的質量。圖2為Moldflow中熔接痕匯合角評價標準。

圖2 Moldflow 熔接痕匯合角評價標準

1.2 熔接痕產生原因

熔接痕產生的原因可以概括為三個方面：

（1）原材料及制品的結構形狀

原材料流動性差，導致滯流現象；原材料中玻纖越多，含量越高，流動性就會越差，熔接痕強度越低；制品厚度太薄或變化較大，需要優化壁厚；存在較多且薄的筋條、較高且薄的孔柱、制品結構復雜及安放嵌件處等。

（2）模具結構設計

流道或澆口的尺寸、形狀、數量、位置等，會影響熔體的充填行為，進而對熔接痕的強度及位置產生重要影響；模具存在困氣現象，排氣不良，可通過增設排氣槽或排氣孔、采用鑲拼結構、利用模具零件的配合間隙、采用模具透氣鋼等方式加強排氣；模具冷卻系統設計不合理，也會影響熔接痕的強度；在合適位置增加冷料穴，可將熔接痕處的冷料引到冷料穴，后期再進行修剪，能提高熔接痕質量。

（3）注塑工藝

溫度（料溫與模溫）太低，熔體流動性差，易產生熔接痕，提高模具溫度是改善熔接痕質量的主要方式之一；壓力（注射壓力與保壓壓力）不合理，熔接痕質量差，若熔接痕在充填末端，增大保壓壓力，對熔接痕結合處強度有明顯的提高作用；速度（注射速度、流道中的速度、型腔內的速度）不合理，提高注射速度有利于改善熔接痕，實際中可采用高速電動機來提升，流道中的速度可通過改變流道的截面和尺寸來調整，提高型腔的光滑度，減少摩擦，也有助于速度的提高；不同的注塑成型技術（普通冷流道注塑、熱流道注塑、順序注塑及快速熱循環注塑）等[2]。

2 Moldflow熔接痕分析

2.1 與熔接痕有關的分析結果及評價標準

Moldflow是著名的CAE模流分析軟件, 目前廣泛應用于塑膠行業中。在Moldflow中，熔接痕的質量與兩股料流熔合的溫度、壓力、匯合角度及熔合處的困氣情況有關。不同的網格劃分類型及質量，對熔接痕的分析結果（Weld line）也會產生影響。

（1）與溫度分析結果疊加

Weld lines (熔接痕）和Temperature at flow front（流動前沿溫度）疊加。形成熔接痕時兩股料流的前沿溫度溫差應小于10℃。前沿溫度與熔體溫度相差越小越好，一般不超過20℃。

Weld lines (熔接痕）和Frozen layer fraction(凍結層因子) 疊加，Weld lines (熔接痕）和Temperature(溫度)疊加。匯合時，熔接痕附近的凍結層因子越小，則熔接痕質量越好。匯合后，熔接痕凍結得越慢，則熔接痕質量越好。

（2）與壓力分析結果疊加

Weld lines (熔接痕）和Pressure：XY Plot（壓力：XY圖）疊加。手動創建熔接痕各節點的壓力XY圖，以了解各節點壓力隨時間變化的情況，壓力越大，時間越長，則熔接痕的強度越高。

（3）與角度結果疊加

Weld lines (熔接痕）和 Fill time contour(填充時間等值線：可分析出熔接痕匯合角度)疊加。熔接痕匯合角度越大，其質量越好。一般要求熔接痕匯合角度應大于75°。加大匯合角，可通過調整制品厚度、更改澆口位置和數目、改變流道位置和尺寸等實現。

（4）與氣穴結果疊加

Weld lines (熔接痕）和 Air traps(氣穴)疊加。在熔接痕處如果同時存在困氣現象，則熔接痕的質量較差，應加強模具排氣系統的設計。

圖3 優化澆注系統調整熔接痕位置

2.2 Moldflow解決熔接痕問題的案例

（1）優化澆注系統調整熔接痕位置

熔接痕應避免出現在有強度或外觀要求的表面上。通過Moldflow分析，優化澆口位置及個數，可使熔接痕分布到非外觀面或強度較大區域，得到合格產品。如圖3所示，原始方案熔接痕發生在手機殼結構較弱區域容易導致組裝時產生斷裂，通過改變下方澆口的位置，使熔接痕發生在手機殼有較大強度的邊緣區域，大大降低了熔接痕對產品力學性能的影響。

（2）優化產品壁厚改善熔接痕質量

如圖4所示，原始方案中產生熔接痕的位置存在明顯的困氣現象，導致熔接痕會很明顯，極大地影響了產品的外觀和強度。經Moldflow分析發現，通過增加、減少產品局部壁厚的方式，可使熔接痕和困氣沿產品邊分布，此處可通過型腔與鑲件、滑塊的間隙排氣，以消除困氣，熔接痕強度更高。

圖4 優化產品壁厚調整熔接痕位置

圖5產品為汽車保險杠。原始方案熔接痕匯合角較小，熔接痕明顯、質量差。通過修改局部壁厚，使匯合角大于120°，熔接痕質量得到改善。

圖5 修改局部壁厚優化匯合角

（3）采用熱流道順序注塑解決熔接痕問題

熱流道順序注塑成型技術通過合理控制多個閥澆口的開閉順序及開閉時間長短來影響熔接痕的位置、長度及強度，甚至消除熔接痕[3]。

在Moldflow中模擬熱流道順序注塑工藝，需要將流道做成環形，中間用來放置閥針；同時選擇最末端的澆口柱體單元，單擊右鍵，選擇屬性，在閥澆口選項卡中選擇閥澆口控制器，并設置控制參數，如圖6所示。

圖6 閥澆口控制器

圖7所示產品為透明飯盒蓋，對外觀要求高，不允許產生熔接痕。原始方案是兩澆口常規注塑，會產生熔接痕。改進方案是兩個閥澆口的熱流道順序注塑，采用兩個閥澆口控制器，控制方法采用“%體積”的形式，經過多次模擬分析，確定了控制參數：第一個閥澆口始終打開，待熔體充填體積為40%時，再打開第二個閥澆口一起充填，避免了兩股料流交匯的現象，從而消除了熔接痕。

（4）采用快速熱循環注塑解決熔接痕問題

快速熱循環注塑（RHCM），又稱高光無痕注塑。它先用一定的加熱方式，將模具型腔表面溫度加熱到熱變形溫度以上某個值，然后再開始注射；整個注射階段及保壓階段前期都要保持型腔溫度；接下來，在冷卻階段模具迅速冷卻，再保持在一個相對低的溫度，然后開模，頂出產品。然后合模，利用溫控系統將模具表面又急速加熱到設定的高溫值以進入下一個成型周期。可見，快速熱循環技術(RHCM)實際上要經過加熱模具型腔表面、高溫保持、迅速降溫冷卻、低溫保持這四個工藝階段[4]。它的關鍵在于變模溫技術，快熱快冷，兩股料流匯合時被繼續加熱，使熔融塑料在模具表面合流前沒有固化，這樣就有效地避免了熔接痕的產生[5]。

在Moldflow中模擬分析快速熱循環注塑過程，關鍵是要設置好變溫區域和變溫曲線，以實現注射成型各個階段模具溫度的變化。其設置方法是：選擇需要設置模具溫度曲線的三角形單元（即變溫區域），右擊，選擇屬性，彈出屬性對話框，在模具溫度曲線選項卡中進行設置，如圖8所示。高光成型和傳統注塑成型的產品差異，如圖9所示。

圖7 熱流道順序注塑消除熔接痕

3 結論

在傳統的注塑成型工藝中，采用多個澆口的情況下，熔接痕通常是不可避免的，只能通過各種方法與手段控制熔接痕的位置，匯合時的角度、溫度、壓力，消除困氣等方式使其處于可接受的范圍內。而采用熱流道順序注塑、快速熱循環注塑等新興技術，則能夠獲得無熔接痕且表面高光的塑料制品。通過Moldflow可以在計算機上對比分析各種設計方案，找出熔接痕的位置，分析其熔合質量，尋求最優解，是幫助解決熔接痕問題的有效工具。

圖8 變溫區域與變溫曲線

圖9 高光成型和傳統注塑成型產品差異