鄧鳳意 ，賴登輝，彭雙雙

（四川永貴科技有限公司，四川 綿陽 621000）

注塑零件熔接線處出現(xiàn)開裂、泄漏、外觀不良等問題屢見不鮮，當此類問題出現(xiàn)時，塑件的設計和制造人員普遍不能迅速而清晰地界定熔接線相關缺陷的主要影響因子，往往通過不斷修改產(chǎn)品結構和模具設計，反復調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)來尋找問題的解決途徑和方法，其成本效益較差。究其原因，很重要的一個方面是技術人員對于熔接線的形成過程和微觀特性的理解、認知不足。前輩學者對熔接線相關課題做過許多的研究和論文報道，但多數(shù)是針對熔接線某一個特性而展開的研究，在熔接線形成過程和微觀特性方面的綜合闡述略顯不足。因此，為了支持注塑零件設計和制造相關技術人員選擇正確的措施進行熔接線相關缺陷的改善，有必要對熔接線的形成過程、微觀特性，熔接線相關缺陷的影響因子和改善措施進行較詳細的理論闡述和歸納總結。

1 熔接線的形成過程

熔接線是指在注塑成型中模具型腔內(nèi)兩股（或多股）熔融的塑膠成一定角度匯合而形成的三維接觸區(qū)域。當兩股熔膠的匯合角“θ” 小于或等于135° 時，模流分析軟件定義為熔接線（weld line，也稱縫合線），用紅色線條渲染；當匯合角大于135° 時，模流分析軟件定義為熔合痕（meld line），軟件不做渲染。下圖1簡單演示熔接線、熔合痕的形成過程。

圖1 熔接線形成過程示意圖

根據(jù)塑膠材料熔體的流動理論[1～3]，塑膠材料熔體在模具型腔內(nèi)流動時主要以層流和“ 噴泉流” 的方式向前推進。當然也存在其他流動形式，如當塑膠材料熔體在模具型腔內(nèi)流動時遇到阻礙或流動截面積發(fā)生突變時，熔體流動方式可能會變化，有可能產(chǎn)生噴射流、紊流。下圖2 所示為拉伸樣條試模制樣時產(chǎn)生噴射流、紊流和層流的情況對比圖片。

圖2 噴射流、紊流和層流對比圖示

熔接線的形成大致可分為以下4 個階段[4]：

（1）第一階段是熔體相遇階段

兩股或多股熔體流動波前以一定角度發(fā)生“ 碰撞”，此時熔體波前的壓力較低，其大小與熔體波前的氣體的壓縮狀態(tài)有關，溫度達到最高值。

（2）第二階段是熔體擴散階段

熔體波前產(chǎn)生黏彈性變形并向四周擴散，逐漸填充周圍模具型腔空隙，此時熔體波前的壓力逐漸升高，溫度開始緩慢下降，氣體被擠壓往型腔表面逃逸，熔體的高分子鏈和填充物的狀態(tài)隨著流動方向的轉變而發(fā)生變化。

（3）第三階段是熔接線初步形成階段

此階段不同方向的熔體最終匯合，由于后端熔體壓力的傳導，熔接線區(qū)域被逐漸壓實，也可能由于不同方向的壓力差，熔接線位置產(chǎn)生細微的偏移，高分子鏈和填充物的形態(tài)基本形成，熔體隨著其溫度降低而逐漸凝固，未及時排出的微量氣體會殘留在熔接線界面處和型腔表面區(qū)域，阻礙了熔體的熔合以及熔體與型腔表面的貼合。

（4）第四階段是熔接線的穩(wěn)固階段

此階段由于分子熱運動，高分子鏈會在熔接線區(qū)域進行擴散，形成一定程度的穿插、纏結的狀態(tài)；同時對于結晶或半結晶材料，熔接線區(qū)域會形成晶區(qū)，產(chǎn)生黏接效應。

2 熔接線區(qū)域的微觀特性

熔接線區(qū)域的微觀特性指的是熔接區(qū)域內(nèi)高分子鏈和填充物（通常主要是纖維）的形態(tài)，即高分子鏈和填充物的分布狀況、組織結構狀況。

2.1 高分子鏈在熔接線處的形態(tài)

塑膠材料熔體在以“ 噴泉流” 的方式流動時，熔體內(nèi)部的高分子鏈呈現(xiàn)相互穿插、纏結，并一定程度沿著流動方向進行取向的形態(tài)[1～3]。而當熔體發(fā)生“ 碰撞”、匯合，形成熔接線時，高分子鏈的形態(tài)會發(fā)生變化：首先是高分子鏈的取向方向會發(fā)生變化，而取向會導致材料力學性能的各向異性；其次是不同方向熔體的高分子鏈在熔接線處不能較充分地形成彼此穿插、纏結的狀態(tài)。

以PC 塑膠材料的拉伸試條為例進行模流分析，充填結果表明：熔體在熔合前的速度向量平行充填方向；而在熔合的過程中，速度向量發(fā)生了轉向，由趨向平行充填方向變成了趨向垂直充填方向。熔體速度向量的轉向說明了高分子鏈取向方向的變化。

高分子鏈的取向行為會導致取向區(qū)域材料的力學性能呈現(xiàn)各向異性。因為高分子鏈的原子之間以化學鍵結合，而高分子鏈之間以范德華力結合，范德華力的作用力要遠弱于化學鍵的作用力[5]。當高分子鏈取向時，在取向方向原子之間的作用力以化學鍵為主，在垂直取向方向原子之間作用力以范德華力為主，這會導致材料沿著取向方向的強度遠高于垂直取向方向的強度[4～5]。

高分子鏈取向后需要一定時間和在一定溫度條件下才能逐漸解取向，即高分子鏈和鏈段重新趨于無序狀態(tài)。在解取向完成前后的一定時間內(nèi)，熔接線處的高分子鏈會由于分子熱運動而形成一定程度的穿插、纏結的狀態(tài)。熔接線區(qū)域的高分子鏈的取向、解取向行為和穿插、纏結形態(tài)對其強度有重要影響。

當塑膠材料熔體以“ 噴射”、“ 紊流” 的方式流動匯合時，此時熔體的流動呈現(xiàn)凌亂狀態(tài)，相應地高分子鏈的形態(tài)呈現(xiàn)無規(guī)則狀態(tài)，熔體流動前端的氣體可能會被卷入、包裹進熔體中，熔體與模具型腔表面的貼合狀態(tài)可能會不均勻一致。

2.2 纖維在熔接線處的形態(tài)

對于纖維加強的塑膠材料，其熔體在流動過程中，纖維會隨著熔體流動而進行配向。纖維在塑件壁厚方向的中間區(qū)域排布會比較凌亂，配向率低；而在塑件壁厚方向的上下表層區(qū)域纖維排布會比較規(guī)則，沿著流動方向配向率高[6]。通過模流分析軟件仿真塑膠熔體流動時的纖維配向，結果表明熔體流動前沿的纖維排布是相對凌亂的。

當纖維加強塑膠材料的熔體的流動波前發(fā)生“ 碰撞” 時，熔體產(chǎn)生黏彈性變形并向四周擴散，相當一部分纖維會因為熔體的擠壓而發(fā)生轉向，即纖維由垂直熔體接觸面而變成平行熔體接觸面。查閱的一些論文資料[7]和模流仿真分析結果都印證了纖維的這種轉向情況。綜上所述，纖維在熔接線的三維區(qū)域會呈現(xiàn)與熔體充填方向垂直、在接觸面凌亂排布的形態(tài)。

2.3 助劑在熔接線區(qū)域的分布

塑膠材料加工過程中，通常會添加一些助劑，以達到改進性能和降低成本等目的。助劑的種類很多，常用的有潤滑劑、阻燃劑、增塑劑、穩(wěn)定劑等。有些助劑分子量較小，與聚合物相溶性相對較差。在塑膠熔體流動過程中，助劑與高分子聚合物及助劑相互之間的作用力相對較小，因此助劑的流動性要更好。當熔體以“噴泉流”向前端推進時，因助劑的流動性更好，會導致助劑向表皮層和皮下層（剪切層）匯聚[8]。當熔體熔合時，助劑在熔接線區(qū)域匯聚會更加顯著，這樣就會降低熔接線區(qū)域的密度，減弱聚合物分子之間的作用力，使得熔接線區(qū)域的力學性能下降。

2.4 共混聚合物在熔接線區(qū)域的形態(tài)

共混聚合物指的是兩種或兩種以上分子結構不同的聚合物的物理混合物，如PC 加ABS、PC 加PBT、PE 加PVC。聚合物之間相溶性相對較差，一般會出現(xiàn)分散相。分散相的分子量越小，分散相與基體、分散相之間的相互作用力越弱，分散相流動性越好，當熔體熔合時，分散相更容易在熔接線區(qū)域匯聚，更容易在表皮層和皮下層沿垂直充填方向進行拉伸取向。分散相在熔接線區(qū)域的拉伸取向程度對熔接線的力學性能有重要影響。增加分散相的黏度，減少分散相的運動能力，分散相在垂直于充填方向的拉伸取向能力減弱，基體分子在流動方向的擴散、纏繞能力增加，有利于提高熔接線區(qū)域的力學性能[8]。

2.5 氣體在熔接線區(qū)域的分布

從制品壁厚方向看，熔接線的形態(tài)結構可以簡單分為“V” 型槽、弱連接層（表皮層和皮下層）、強連接層（中心層）三個部分。弱連接層的形成主要和聚合物高分子鏈、纖維在垂直充填方向的取向有關；而“V” 型槽的形成，則主要和熔接線區(qū)域內(nèi)氣體的排出效能有關[9～10]。

仍以PC 拉伸試條為例進行模流分析，當計算時考慮模具型腔內(nèi)的大氣，模具內(nèi)不設排氣邊界和在熔接線處設置排氣邊界，觀察、對比兩種情況下的充填特征，可以明顯看到熔接線處無排氣邊界時氣體對熔體流動、熔合的阻礙作用。

當熔體熔合時，熔體前端的氣體會被擠壓到型腔表面，如果氣體不能被及時有效地排出，氣體就會影響、阻礙熔體與型腔壁的接觸、貼合，從而形成一條與周邊粗糙度不一致的熔合痕跡，放大了看類似一個細微的“V” 型槽。

2.6 熔接線界面的高分子鏈擴散與結晶

熔接線界面的高分子鏈擴散指的是當熔接線初步形成時，聚合物高分子鏈被隔斷在熔接線界面兩側；當熔接線形成一段時間后，隨著高分子鏈的熱運動[9～11]，聚合物高分子鏈會打破熔接線界面的限制，形成彼此穿插、纏結的狀態(tài)。

當聚合物為結晶或半結晶性聚合物時，其結晶運動會在熔接線界面處形成晶區(qū)。晶區(qū)的存在對熔接線處的黏接強度有正反兩方面的作用[10]：一方面界面處的結晶可提高黏接度；另一方面晶區(qū)的存在會阻礙高分子鏈的擴散。

3 纖維增強塑膠材料熔接線強度的耦合分析

對于塑件熔接線處開裂問題的仿真，目前模流分析能夠較準確的預測熔接線的位置、形態(tài)，但是無法對熔接線處的應力狀況做評估；結構分析能夠?qū)θ劢泳€處的應力狀況做直觀、量化的評估，但是無法準確預知熔接線的位置、幾何形態(tài)，在創(chuàng)建分析模型時，無法較準確的對熔接線區(qū)域的網(wǎng)格元素的材料性能、殘余應力等參數(shù)的進行屬性賦值。如果能夠把模流分析和結構分析各自優(yōu)點結合起來進行耦合分析，也許能夠極大提高對熔接線區(qū)域應力評估的精準度，尤其是對于纖維增強的塑膠材料。業(yè)內(nèi)對此展開了較多的研究[12～13]，目前比較普遍的方法是借助第三方復合材料建模軟件——Digimat 在模流分析軟件和結構分析軟件之間搭建溝通橋梁。

用此方法進行熔接線強度的耦合分析時，通常需要考慮的因素有以下兩點：

（1）材料模型的創(chuàng)建

在Digimat 軟件中，由通用方法創(chuàng)建的材料模型誤差較大，可用于一般趨勢分析；由實驗測定再經(jīng)逆向工程創(chuàng)建的材料模型準確性更高，可用于定性、定量分析，但材料實驗數(shù)據(jù)需要得到材料供應商授權才能使用。

（2）模型簡化

在分析前需要綜合評估FEA 模型的計算量和對于準確性的需求程度，然后在進行網(wǎng)格單元屬性映射時，可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)映射網(wǎng)格的數(shù)量和網(wǎng)格形態(tài)。

4 熔接線缺陷的影響因子

熔接線缺陷主要指熔接線處的開裂、泄漏、擊穿、外觀不良等現(xiàn)象。由前述對熔接線的形成和微觀特性的闡明，可把熔接線缺陷的主要影響因子歸納如下表1。

表1 熔接線缺陷的主要影響因子

5 熔接線缺陷的改善措施

改善熔接線缺陷通常需要從塑件結構與壁厚的設計、塑膠材料的選型、模具設計、注塑工藝參數(shù)這四個方面著手。由前述理論闡述結合實際案例改善經(jīng)驗，可把熔接線缺陷的常規(guī)改善措施歸納如下表2 和表3 ：

表2 熔接線缺陷在不同范圍的改善措施

表3 熔接線缺陷的常規(guī)改善措施

6 結論

通過對熔接線的形成過程和微觀特性的理論闡述和仿真分析模擬，從理論角度對熔接線缺陷的主要影響因子進行了分類整理，同時根據(jù)缺陷類型的影響因子，基于實踐經(jīng)驗，歸納整理了熔接線缺陷的常規(guī)改善措施，為注塑零件相關設計、制造人員在遇到熔接線缺陷問題時選擇正確的改善措施提供了有價值的參考意見。