聚丙烯塑料搅拌摩擦连接区性能分析

Performance analysis of Friction Stir Joint Zone of Polypropylene Plastics

摘要

以10 mm厚聚丙烯（PP）塑料为研究对象，采用搅拌摩擦焊技术对其进行连接，探索加工参数对PP塑料宏观形貌及力学性能的影响。结果表明：当旋转速度为600~1 000 r/mim、前进速度为70 mm/min、下压量为0.1 mm时焊接成型，表面无明显缺陷。随着旋转速度的增加，抗拉强度先显著上升，在800 r/mim时达到最高的22.05 MPa，为母材的71%，随后下降。母材拉伸试样为韧性断裂，伴有细颈产生，并伴随着局部晶粒的纤维化；而连接试样为脆性断裂。随着旋转速度的增加，平均摩擦系数先缓慢下降，然后显著下降。在旋转速度为800 r/mim时，平均摩擦系数达到最小的0.338，随后显著上升。母材及连接试样表面的磨损形式主要为塑变磨损。

关键词

聚丙烯塑料 / 搅拌摩擦连接 / 力学性能 / 摩擦磨损

Key words

Polypropylene plastic / Friction stir connection / Mechanical properties / Friction wear

搅拌摩擦焊接是一种新型的固相焊接技术^[1-3]，利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，达到材料连接的目的^[4-6]。搅拌摩擦焊接连接工艺简单，具有热变形小、无污染、接头质量高等优点，已经成为连接铝、镁等轻金属材料的主要方法之一^[7-10]。搅拌摩擦焊技术在铝合金等金属材料方面的技术优势极大地推动其在非金属材料领域，尤其是高分子材料领域的应用^[11-12]。传统高分子塑料的焊接以热熔焊接和黏接为主^[13-15]。其中热熔焊接对厚板焊接不敏感，导致焊后工件力学性能较差^[16-17]；而黏接剥离强度和起始黏接强度差且不易实现自动化^[17-18]。因此，保证高分子塑料的焊接质量，提高生产效率，是相关研究领域的重要课题。

高吉成^[11]以高密度聚乙烯(HDPE)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚碳酸酯(PC)为对象，研究同种和异种塑料的常规与水下搅拌摩擦焊，揭示塑料搅拌摩擦焊抗剪强度与旋转速度、焊接速度的关系。PANDIYARAJAN等^[19]使用4个参数和2个目标函数优化FSW工艺，使用期望函数法进行优化，总结焊接过程中影响更显著的参数。AZARSA等^[20]研究工艺参数对HDPE搅拌摩擦焊的影响，采用响应面法确定最优焊接参数。慕铠丞等^[21]通过响应曲面法优化焊接工艺参数，明显提高5052-H112铝合金搅拌摩擦焊焊接头抗拉强度。赵刚等^[22]研究焊接工艺参数对10 mm厚2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊焊缝质量和性能的影响。侯俊良等^[23]研究不同工艺参数对ZL104和3003Al异种铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响。INANIWA等^[24]选用HDPE、聚酰胺6(PA6)和聚氯乙烯(PVC)塑料进行搅拌摩擦焊，结果表明搅拌区的硬度值低于母材，且硬度降低率与材料有关。张欣盟等^[25]研究高焊接速度2 000 mm/min下6 mm厚6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能。目前，搅拌摩擦焊的研究主要集中在金属的焊接，对高分子焊接的研究较少^[26-27]。本研究以聚丙烯（PP）为研究对象，采用搅拌摩擦焊技术对其进行连接，探索连接参数对PP塑料连接宏观形貌及力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 设备和材料

选用北京赛福斯特公司的FSW-LM-A10型搅拌摩擦连接设备，连接搅拌头选用40Cr合金钢，轴肩直径21 mm，搅拌针呈锥形且带有螺纹线，长度8.3 mm。图1为连接设备与搅拌头结构。选用佛山尚纸坊科技有限公司生产的170 mm×115 mm×10 mm和170 mm×40 mm×10 mm的PP板材，采用边缘对接焊方式进行焊接。图2为焊接形式与取样位置。焊接前采用喷枪对搅拌头加热20 s，进行预热。

1.2 试验方案

搅拌摩擦连接参数主要包括旋转速度、前进速度和下压量。主轴倾角为0°，下压量为0.1 mm。连接工艺参数根据试验方法获得。试验结果显示，当旋转速度为600~1 000 r/mim、前进速度为70 mm/min时焊接成型良好。在此参数范围外分别出现飞边、孔洞、未焊合、黏头、犁沟等缺陷，进而影响焊接质量。本研究在保证下压量0.1 mm不变的情况下，设置旋转速度最低为600 r/mim，最高为1 000 r/mim，以每100 r/mim为间隔设置等旋转速度值进行焊接。表1为连接工艺参数。

1.3 性能测试与表征

按照图2所示尺寸切取拉伸和摩擦磨损试样，取3组试样的平均值。为保证数据的准确性，利用铣床将焊接试样上、下表面各去除1.5 mm厚度，用砂纸打磨，去除铣床加工痕迹。采用KY-D2503微机控制电子万能试验机进行拉伸性能测试，拉伸速度为5 mm/min；采用HT-1000高温摩擦磨损试验机对试样进行摩擦磨损试验，分析试样的耐磨损性能；采用JSM7800F型场发射高温扫描电镜对拉伸断口形貌和摩擦磨损形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 焊接接头表面宏观形貌分析

在金属搅拌摩擦焊接过程中，材料在轴肩的高速旋转摩擦下产生大量的热，促使材料发生塑性变形，此时材料会出现“软化”，软化的金属材料会在轴肩的下方随着轴肩的“旋转-行走”复合机械运动，最终产生“环纹”现象^[1]。而高分子材料由于冷却速度较慢，轴肩行走后，高分子材料不能在轴肩下迅速冷却，未冷却的材料在失去约束限制情况下不能形成“环纹”。图3为不同旋转速度焊接接头表面宏观形貌。从图3可以看出，当旋转速度为600 r/mim时，由于旋转速度较低，产热量较少，PP材料未能充分软化，造成连接表面出现部分未充分熔融体；随着旋转速度的增加，焊接产热不断提高，PP材料软化更加充分，当速度达到1 000 r/mim时，PP塑料充分软化，搅拌头轴肩所产生的铣削形式消失。

2.2 接头的拉伸性能分析

图4为前进速度为70 mm/min、下压量为0.1 mm时不同旋转速度下的拉伸强度。从图4可以看出，随着旋转速度的增加，抗拉强度先显著上升，在旋转速度为800 r/min时达到最高的22.05 MPa，为母材31 MPa的71%，继续增加旋转速度，抗拉强度下降。这是因为在旋转速度为600 r/min时，搅拌头产热较少，PP材料塑化较少，黏性较差，强度较低；随着旋转速度增加，搅拌头产热增加，PP塑料塑性材料增多，强度进一步增强，当旋转速度为800 r/min时，搅拌头产热适中，拉伸强度达到最大值；旋转速度继续增加，搅拌头产热继续增加，使材料过度融化，由于前进速度未变，熔体在轴肩下的保持时间未变，旋转速度和前进速度不匹配，导致熔体不受搅拌头控制而造成缺陷，进而导致拉伸强度降低。各连接试样的伸长率与抗拉强度趋势大致一致，当旋转速度为800 r/min时，伸长率达到最大值25.1%。

2.3 拉伸断口形貌分析

图5为PP塑料母材拉伸断口宏观、微观形貌。从图5可以看出，在4 mm/min速度下进行拉伸时，随着时间的增加，母材试样不断被拉长而形成细颈，从微观形貌可以观察到明显的取向纤维结构，符合韧性断裂机理。这是由于材料内部的错位滑移引起的，材料的滑移、扩散和凝聚作用使细颈处的力学性能强化，当细颈不断被拉长时，母材内部的晶粒也被不断拉长，最终生成纤维状晶粒^[28-30]。

图6为前进速度为70 mm/min、下压量为0.1 mm时不同旋转速度下的拉伸断口典型微观形貌。从图6可以看出，试样断口呈现河流花样形貌，没有明显的晶粒形状，符合脆性断裂机理。其原因是拉伸时试样内部晶粒来不及充分运动以适应外力变化，横截面上主应力首先达到断裂强度临界值，从而直接发生脆性断裂。

2.4 摩擦磨损性能分析

图7为前进速度为70 mm/min、下压量为0.1 mm时不同旋转速度下摩擦磨损曲线。从图7可以看出，起始阶段摩擦系数波动较大，约5 min后摩擦系数进入稳定波动状态。

图8为不同旋转速度下的平均摩擦系数。从图8可以看出，随着旋转速度的增加，摩擦系数先缓慢下降，随后显著下降，在旋转速度为800 r/min时，摩擦系数达到最小的0.338，随后显著上升。所有试样的平均摩擦系数均高于母材的0.300。

2.5 连接区磨痕形貌分析

图9为不同旋转速度下焊接试样摩擦磨损的SEM照片。从图9可以看出，试样摩擦表面流变层沿摩擦副相对滑动方向形成薄片状凸出物。在小球与试样表面的接触区域薄片凸出物经滑动后与接触的表面分离并引起表层材料发生相应的塑性流动，故磨损形式为塑变磨损。

3 结论

当旋转速度为600~1 000 r/min、前进速度为70 mm/min、下压量为0.1 mm时，焊接PP塑料成型良好。随着旋转速度的增加，抗拉强度先显著上升，在800 r/min时达到最高的22.05 MPa，为母材的71%，随后下降；母材试样断口伴随着局部晶粒的纤维化，为韧性断裂，而连接试样为脆性断裂。随着旋转速度的增加，平均摩擦系数先缓慢下降，随之显著下降，在800 r/min时平均摩擦系数达到最小的0.338，随后显著上升；母材及连接试样表面的磨损形式主要为塑变磨损。

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基金资助

国家自然科学基金青年科学基金项目(52405479)

安徽省优秀科研创新团队（自然类）(2022AH010103)

黄山学院硕士点培育专项科研基金“搅拌摩擦增材制造铜合金铣削机理及关键技术研究”(hsxyssd006)