熱塑性塑料激光穿透焊接技術(shù)的研究

焦俊科，江樺銳，張文武

（1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201；2.廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣東廣州 511458）

熱塑性塑料以其優(yōu)越的性能在汽車、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛使用。同時(shí)，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)塑料焊接的強(qiáng)度、精度、潔凈度、美觀度等都提出了更高的要求。近年來(lái)，采用激光對(duì)熱塑料進(jìn)行焊接成為研究的熱點(diǎn)，國(guó)外眾多學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)對(duì)塑料的激光焊接理論、焊接工藝、激光微焊接等方面進(jìn)行了深入廣泛的研究，為塑料激光焊接技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)推廣奠定了基礎(chǔ)。從21 世紀(jì)初開始，國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)對(duì)塑料激光焊接技術(shù)進(jìn)行了研究[1-7]，主要集中在單一的焊接工藝或數(shù)值模擬上，無(wú)論是理論分析還是工藝研究等方面都與國(guó)外存在一定的差距。

本文對(duì)PMMA 材料的激光焊接技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，在充分考慮穿透層與吸收層激光吸收的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS 對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，從理論上找到了焊接參數(shù)對(duì)焊縫的影響規(guī)律。同時(shí)進(jìn)行了PMMA 焊接的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)焊接時(shí)出現(xiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析，找到了最佳焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的焊接封裝。

1 理論模型

1.1 傳熱數(shù)學(xué)模型

熱塑性塑料激光穿透焊接過(guò)程中，90 %以上的能量穿過(guò)穿透層被吸收層吸收。為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，一般都是把激光熱源作為面熱源來(lái)處理[8-10]，但這與實(shí)際情況有些出入。為了使數(shù)學(xué)模型更貼近實(shí)際，本文把穿透層內(nèi)的激光作為體熱源處理，而到達(dá)吸收層的激光作為面熱源來(lái)處理，在此基礎(chǔ)上，建立了熱塑性塑料激光穿透焊的數(shù)學(xué)模型：

式中：ρ、c、k 分別為塑料的密度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)；q 為塑料內(nèi)體熱源的生熱率；T和t 分別為溫度和時(shí)間；R 為塑料表面對(duì)激光的反射率；α 為吸收系數(shù)；P為激光功率；r 為光斑半徑；z0為塑料板厚度。

其他表面滿足對(duì)流的邊界條件：

式中：h 為表面熱對(duì)流系數(shù)；T0為環(huán)境溫度，也是塑料的初始溫度；Tn為塑料表面的溫度。

塑料激光穿透焊接的熱量分布及傳遞見(jiàn)圖1。在穿透層，一部分激光能量在塑料內(nèi)部傳輸過(guò)程中被吸收并轉(zhuǎn)換為熱量，以內(nèi)部生熱率的形式加載給塑料，該部分的激光能量符合Lambert 定律。在吸收層，穿過(guò)上層的激光被涂在吸收層表面的吸收劑完全吸收，轉(zhuǎn)化為熱量并以熱傳導(dǎo)的形式迅速向上下層塑料擴(kuò)散，使其熔化。

圖1 熱塑性塑料激光穿透焊接示意圖

1.2 熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型

熱塑性塑料激光穿透焊接過(guò)程中，激光能量被吸收層吸收，產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式向吸收層和穿透層內(nèi)部傳輸。熱量傳遞過(guò)程中，材料內(nèi)部的溫度分布是不均勻的，由于各處的溫度不同，每一部分因受到不同溫度的相鄰部分的影響，不能自由伸縮，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力方程為：

式中：σi（i=x，y，z）為正應(yīng)力；γij為剪應(yīng)變；τij為剪應(yīng)力；Δt 為溫度改變量；β 為材料的膨脹系數(shù)；E 為楊氏模量（拉壓彈性模量）；υ 為泊松比；G 為剪切彈性模量。

2 數(shù)值分析

本文使用ANSYS 對(duì)PMMA 激光穿透焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。兩塊長(zhǎng)、寬、厚分別為40、20、3 mm 的PMMA 板搭接在一起進(jìn)行穿透焊接，有限元模型單元為8 節(jié)點(diǎn)6 自由度的三維實(shí)體單元solid70，單元大小為0.6 mm×0.6 mm。另外，計(jì)算中用到的PMMA 物理特性見(jiàn)表1。

表1 PMMA 的物理特性參數(shù)

焊接時(shí)選用的激光參數(shù)為：P=50 W，r=2 mm，v=10 mm/s。焊接過(guò)程中，一部分激光能量以體熱源生熱率的形式被穿透層吸收，形成一個(gè)沿深度方向分布的溫度場(chǎng)，溫度最高達(dá)65 ℃左右。而在吸收層，穿過(guò)穿透層的激光在表面被完全吸收，產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量以熱傳導(dǎo)的形式向上下兩層塑料內(nèi)部傳遞，最終形成一個(gè)高斯分布的溫度場(chǎng)（圖2）。圖3 是焊接過(guò)程中的溫度和熱應(yīng)力分布云圖，在穿透層與吸收層的接觸面附近，最高溫度達(dá)到400 ℃，遠(yuǎn)高于PMMA 的熔化溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。

圖2 焊接溫度場(chǎng)分布

圖3 溫度及應(yīng)力分布

在對(duì)亞克力板進(jìn)行激光穿透焊接過(guò)程中，會(huì)伴隨著熱應(yīng)力的產(chǎn)生，熱應(yīng)力的大小和分布同樣會(huì)影響焊接質(zhì)量。在吸收層表面上選取一點(diǎn)a，分析其溫度和熱應(yīng)力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。從圖4 可看出，該點(diǎn)的溫度和熱應(yīng)力變化大致經(jīng)過(guò)以下3 個(gè)過(guò)程：

（1）激光來(lái)臨前，該點(diǎn)的溫度基本上處于常溫狀態(tài)，拉應(yīng)力逐步增加。

（2）激光到來(lái)后，由于高能量密度的激光作用，使該點(diǎn)的溫度急劇上升達(dá)到最高值400 ℃，材料在高溫下膨脹，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。

圖4 掃描路徑上a點(diǎn)溫度、熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

（3）激光從該點(diǎn)移走后，熱量在熱傳導(dǎo)的作用下逐步向塑料內(nèi)部傳遞，溫度緩慢降低，直至焊接完成到常溫狀態(tài)。在這個(gè)冷卻過(guò)程中，壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。

在焊接過(guò)程中，壓應(yīng)力一般不會(huì)對(duì)焊接效果產(chǎn)生影響，但拉應(yīng)力的存在可能導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。從圖4 可看出，拉應(yīng)力的最大值也只有0.0025 MPa，遠(yuǎn)小于亞克力板的破壞應(yīng)力。因此，在該組焊接參數(shù)下，熱應(yīng)力對(duì)焊接質(zhì)量的影響幾乎可忽略。

焊接過(guò)程中，激光參數(shù)及焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響非常大。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的焊接情況仿真分析，得到以下影響規(guī)律：

（1）焊縫寬度受光斑半徑和單位時(shí)間、單位面積吸收的激光能量的共同影響。在光斑半徑不變的情況下，單位時(shí)間、單位面積吸收的能量越高，焊縫寬度越大；在單位時(shí)間、單位面積吸收的能量不變的情況下，光斑半徑越大，焊縫寬度越大。

（2）焊接深度只受單位時(shí)間、單位面積吸收的激光能量的影響。單位時(shí)間、單位面積吸收的激光能量越高，焊接深度越大，焊接強(qiáng)度也越大。

3 實(shí)驗(yàn)分析

PMMA 激光穿透焊接實(shí)驗(yàn)在光纖激光加工系統(tǒng)上進(jìn)行。系統(tǒng)由光纖激光器、六軸機(jī)器人、氣流系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)及自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成（圖5），能進(jìn)行多種金屬、非金屬材料的平面、三維切割和焊接。為方便實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作了塑料焊接二維工裝系統(tǒng)，能對(duì)焊接時(shí)的夾具壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

圖5 光纖激光加工系統(tǒng)及控制界面

焊接時(shí)，把待焊接的塑料工件放進(jìn)氣動(dòng)夾具裝置里，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓來(lái)調(diào)節(jié)夾具的壓力，夾緊塑料焊件，而后啟動(dòng)光纖激光加工系統(tǒng)。激光焊接頭固定在機(jī)器手的末端，通過(guò)中央控制系統(tǒng)控制機(jī)器手按照既定路徑進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)置，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)圖6。

圖6 塑料焊接實(shí)驗(yàn)原理圖

焊接過(guò)程中，較高的激光功率密度導(dǎo)致塑料熔化，會(huì)產(chǎn)生一些氣泡和煙霧，并沿著與焊接方向相反的熔化路徑排出，在焊縫上留下一條排氣通道（圖7a），一定程度上影響了焊接強(qiáng)度。排氣通道的大小與焊接時(shí)產(chǎn)生氣霧的多少有關(guān)，激光能量密度越大，焊接時(shí)熔化產(chǎn)生的氣霧越多，排氣通道越大，對(duì)焊接質(zhì)量的影響也越大。因此，焊接時(shí)應(yīng)選擇合適的能量密度，在保證焊接深度的同時(shí)，盡量減少產(chǎn)生的氣霧量。另外，如果焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣霧不能有效地排出，則在焊縫周邊會(huì)形成大量的氣泡（圖7b），同樣影響焊接強(qiáng)度。

圖7 PMMA 激光穿透焊接

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)苷业胶附訁?shù)對(duì)焊接時(shí)氣霧量的影響規(guī)律。通常，在其他兩個(gè)參數(shù)不變的情況下，光斑半徑越小，焊縫材料的熔化深度和熔化量越大，氣霧量也越大；激光功率越大，熔化量越大，氣霧量也越大；焊接速度越慢，熔化量越大，氣霧量也越大。利用這個(gè)規(guī)律，針對(duì)3 mm 厚的PMMA 材料的焊接，找到了一組最佳焊接參數(shù)：r=1.2 mm，P=30 W，v=10 mm/s，并進(jìn)行了PMMA 的封裝實(shí)驗(yàn)（圖8）。

圖8 PMMA 封裝焊接樣品

4 總結(jié)

（1）對(duì)塑料穿透焊接的傳熱過(guò)程進(jìn)行了分析，在考慮穿透層的體熱源和吸收層的面熱源的情況下，建立了傳熱數(shù)學(xué)模型和有限元模型，利用有限元法對(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，找到了焊接參數(shù)對(duì)焊縫的影響規(guī)律。

（2）在多功能光纖激光加工平臺(tái)上進(jìn)行PMMA的激光穿透焊接實(shí)驗(yàn)，研究分析了焊接過(guò)程中的物理現(xiàn)象，找到了焊接強(qiáng)度與焊縫材料的熔化量及氣霧量的大小的關(guān)系，以及熔化量、氣霧量與焊接參數(shù)之間的關(guān)系。

（3）在理論計(jì)算的指導(dǎo)下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，找到了焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的一般規(guī)律，并針對(duì)厚度為3 mm 的PMMA 材料，找到了最佳焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了焊接封裝。

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