環(huán)形光斑激光塑料焊接工藝研究

趙海發(fā)，李小偉

環(huán)形光斑激光塑料焊接工藝研究

趙海發(fā)，李小偉

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 454650）

為了提高塑料焊接焊縫的剪切強(qiáng)度，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。采用環(huán)形光斑進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)激光功率、焊接速度、離焦量工藝參數(shù)進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)。在最佳工藝參數(shù)條件下，即激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm時(shí)，PA66塑料焊縫最大剪切強(qiáng)度為21.6 MPa。焊縫切片分析結(jié)果表明，環(huán)形光斑激光焊縫的熔深均勻一致，內(nèi)部無(wú)氣孔產(chǎn)生。正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果表明，對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為離焦量、激光功率、焊接速度。

環(huán)形光斑；激光焊接；塑料；工藝研究

PA66塑料（俗稱(chēng)尼龍材料，化學(xué)名為聚己二酰己二胺）具有生產(chǎn)成本低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于各種機(jī)械和電器零件，例如機(jī)械軸承、水泵葉輪、葉片、高壓密封圈等[1—5]。為節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，需要將塑料注塑成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)焊接成為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的產(chǎn)品[6]。

塑料焊接的方式主要有熱板焊接、超聲波焊接以及激光焊接等[7—9]，因?yàn)榧す馀c產(chǎn)品不接觸，不會(huì)對(duì)塑料表面產(chǎn)生物理壓傷；激光焊接過(guò)程中無(wú)振動(dòng)，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生振動(dòng)損傷，對(duì)于內(nèi)部有電子元器件或者玻璃的產(chǎn)品，激光焊接有較大的應(yīng)用前景[10—13]，汽車(chē)車(chē)燈、汽車(chē)油管上的塑料結(jié)構(gòu)目前大多采用激光焊接方式，如王蕾[14]采用激光對(duì)汽車(chē)油管PE塑料進(jìn)行了焊接工藝研究。

普通激光聚焦光斑的能量分布情況為：能量在光斑中心強(qiáng)，在光斑邊緣弱。在焊接過(guò)程中，焊縫中間加熱溫度高，而焊縫兩側(cè)加熱溫度低，在塑料焊縫的中心容易出現(xiàn)燒蝕、氣孔等缺陷，而焊縫兩側(cè)的熔深較低，這樣的焊縫剪切強(qiáng)度較低。近年來(lái)，激光的應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)于光束整形的技術(shù)也越來(lái)越成熟，其中衍射光學(xué)元件具有厚度薄、質(zhì)量輕、易于復(fù)制等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為激光束整形領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，例如徐俊中等[15]通過(guò)不同的設(shè)計(jì)得到了用于激光束整形的衍射光學(xué)元件。截至目前，未見(jiàn)有采用衍射光學(xué)得到的環(huán)形激光光斑對(duì)塑料進(jìn)行焊接的報(bào)道出現(xiàn)。

文中采用環(huán)形激光光斑對(duì)PA66塑料進(jìn)行焊接，通過(guò)正交試驗(yàn)，對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到剪切強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 設(shè)備

采用武漢銳科激光公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，激光器最大功率為100 W，波長(zhǎng)為915 nm，光纖芯徑為0.2 mm，冷卻方式為水冷，激光器集成在控制機(jī)柜內(nèi)，與激光加工頭、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成焊接試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1a所示。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)加工頭聚焦后，形成圓形光斑，激光加工頭主要由準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡組成。文中采用在準(zhǔn)直鏡與聚焦鏡之間增加整形鏡片的方式得到環(huán)形光斑，光路如圖1b所示，其中整形鏡片為衍射光學(xué)鏡片，這種鏡片設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單，成本低，在激光加工領(lǐng)域較成熟[15]。

圖1 焊接試驗(yàn)平臺(tái)圖及光路

1.2 材料

材料為PA66，俗稱(chēng)尼龍材料，厚度為2.00 mm，將材料切割成尺寸為100 mm×50 mm的板材，材料的性能參數(shù)見(jiàn)表1，上層材料為白色，透光率為85%，下層材料為黑色，透光率為20%，進(jìn)行搭接焊接，這樣激光可以透過(guò)上層塑料，激光能量被下層塑料吸收，然后在上下塑料界面處形成焊縫，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。采用拉力機(jī)的夾頭夾住材料的兩端，對(duì)焊縫進(jìn)行剪切力測(cè)試，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組參數(shù)測(cè)試3個(gè)樣品，剪切力的平均值即為該組工藝參數(shù)的剪切力。剪切強(qiáng)度=剪切力/焊縫面積，其中焊縫面積為焊縫寬度×焊縫長(zhǎng)度。

表1 材料性能參數(shù)

Tab.1 The characteristic parameters of plastic

2 方法與結(jié)果分析

2.1 預(yù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前期大量預(yù)試驗(yàn)，影響焊縫剪切強(qiáng)度的主要工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度以及離焦量。激光功率決定了輸入熱量的總量，當(dāng)激光功率較低時(shí)，塑料不足以熔化，無(wú)法形成焊縫或者焊縫熔深較淺，焊縫剪切強(qiáng)度較低，反之，功率過(guò)高，焊縫將被碳化，焊縫剪切強(qiáng)度將迅速降低。焊接速度是激光束在焊縫上的運(yùn)行速度，焊接速度越低，熱量堆積越大，焊接速度越高，熱量堆積將較小。離焦量是指激光束的焦點(diǎn)與工件之間的距離，離焦量為0時(shí)（激光焦點(diǎn)作用在工件表面上），環(huán)形光斑外徑為5.0 mm，內(nèi)徑為0.6 mm，環(huán)形光斑能量分布如圖2a所示，光斑中心位置的激光能量分布較多。在塑料焊接過(guò)程中，由于熱量的累積，焊縫中心區(qū)域的熔深將較大，但是焊縫邊緣的熔深將較低，這樣焊縫的熔深一致性較差，可能會(huì)降低焊縫的剪切強(qiáng)度。隨著離焦量的增加，環(huán)形光斑的內(nèi)徑將逐漸增加，這樣在塑料激光焊接過(guò)程中，激光產(chǎn)生的熱量不會(huì)在焊縫中心位置進(jìn)行過(guò)多的積累，使整個(gè)焊縫的溫度基本一致，這樣焊縫的深度也將更加一致。當(dāng)離焦量為5 mm時(shí)，環(huán)形光斑的外徑為5.0 mm，內(nèi)徑為1.5 mm，如圖2b所示；當(dāng)離焦量為10 mm時(shí)，環(huán)形光斑的外徑為5.0 mm，內(nèi)徑為2.5 mm，如圖2c所示。

為了研究工藝參數(shù)對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響，對(duì)激光功率、焊接速度以及離焦量進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表2所示。

表2 因素水平表

Tab.2 Orthogonal factor level tables

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)三因素三水平正交試驗(yàn)表進(jìn)行了9組焊接試驗(yàn)，對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，正交試驗(yàn)的各個(gè)因素組合及焊縫剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由正交試驗(yàn)結(jié)果得知，當(dāng)激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最高的21.6 MPa，達(dá)到PA66塑料母材強(qiáng)度的95%，此為正交試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Results of orthogonal tests

對(duì)焊縫進(jìn)行切片分析，試驗(yàn)1#的焊縫截面如圖3a所示，激光功率為40 W，產(chǎn)生的熱量較低，焊縫熔深較低，試驗(yàn)2#與其一樣；試驗(yàn)3#的焊縫截面如圖3b所示，熔深也較低，雖然焊接速度和離焦量不同，但是試驗(yàn)1#，2#，3#的焊縫狀態(tài)基本一致，說(shuō)明在功率較低時(shí)，激光功率在起主要作用，因?yàn)槿凵钶^低，整體焊縫剪切強(qiáng)度均較低。試驗(yàn)4#的焊縫截面如圖3c所示，焊縫中心熔深較深，但是整個(gè)焊縫寬度范圍內(nèi)，熔深的一致性較差。試驗(yàn)5#的焊縫截面如圖3d所示，焊縫深度不均勻，焊縫中心區(qū)域明顯很深，但是焊縫邊緣區(qū)域較淺，這可能是由于離焦量為0，環(huán)形光斑直徑較小，激光能量主要集中在焊縫中心，光斑邊緣的能量較弱。試驗(yàn)6#的焊縫截面如圖3e所示，焊縫深度均勻一致，內(nèi)部無(wú)氣孔產(chǎn)生，焊縫中心與邊緣的深度幾乎一致，這可能是離焦量為5 mm時(shí)，激光能量在環(huán)形光斑內(nèi)分布均勻，這種情況下，焊縫的剪切強(qiáng)度最大。試驗(yàn)7#的焊縫截面如圖3f所示，激光功率增加到60 W，焊接速度為50 mm/s，熱輸入量過(guò)高，且熱量累積高，在焊縫中可以看到黑色孔洞，這可能是溫度太高，達(dá)到了塑料的熱分解溫度，導(dǎo)致焊縫處的高分子材料發(fā)生裂解，產(chǎn)生氣體，進(jìn)而在焊縫中留下氣孔，這種情況下，焊縫的剪切強(qiáng)度將急劇降低，試驗(yàn)8#和9#的焊縫內(nèi)部也有輕微的氣孔。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

9組試驗(yàn)中，因素激光功率取水平1的共有3組試驗(yàn)，將這3組試驗(yàn)的焊縫剪切強(qiáng)度累加計(jì)為1，因素激光功率取水平2的3組焊縫剪切強(qiáng)度累加計(jì)為2，因素激光功率取水平3的3組焊縫剪切強(qiáng)度累加計(jì)為3，值越大，表明在該因素的水平下得到的焊縫剪切強(qiáng)度越大。用同樣的方法將3個(gè)因素分別在三水平下的焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行累加，由值可知，在A2B3C2參數(shù)組合下（激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm），焊縫的剪切強(qiáng)度最大。用表示在這個(gè)因素下的極差值，結(jié)果如表4所示。值越大，表明該因素對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響大，由表4可知，對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為離焦量、激光功率、焊接速度。

圖3 焊點(diǎn)截面

表4 正交試驗(yàn)直觀分析表

Tab.4 Visual analysis table of orthogonal test

3 結(jié)論

1）通過(guò)調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)與工件之間的距離，來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形光斑的尺寸。環(huán)形光斑的內(nèi)徑增加，激光產(chǎn)生的熱量不會(huì)在焊縫中心位置進(jìn)行過(guò)多的積累，整個(gè)焊縫的溫度基本一致，焊縫的深度也一致。

2）當(dāng)激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm時(shí)，PA66塑料焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的21.6 MPa，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

[1] 林曉丹, 曾幸榮, 張金柱, 等. PA66導(dǎo)熱絕緣塑料的制備與性能[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2006, 34(4): 7—9. LIN Xiao-dan, ZENG Xing-rong, ZHANG Jin-zhu, et al. Preparation and Properties of Insulating Thermal Conductive PA66[J]. Engineering Plastics Application, 2006, 34(4): 7—9.

[2] 楊柳, 周志誠(chéng), 姚智平, 等. PA6與PA66共混物或共聚物的定性定量分析[J]. 合成樹(shù)脂及塑料, 2019, 36(2): 7—9. YANG Liu, ZHOU Zhi-cheng, YAO Zhi-ping, et al. Qualitative and Quantitative Analysis for PA6/PA66 Compounds and Co-Polymers[J]. China Synthetic Resin and Plastics, 2019, 36(2): 7—9.

[3] 鄒夢(mèng)浩, 羅鐘琳, 喬藝卉, 等. 二乙基次膦酸鋁協(xié)同含磷有機(jī)硅阻燃PA66熱分解動(dòng)力學(xué)[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2020, 48(4): 105—111. ZOU Meng-hao, LUO Zhong-lin, QIAO Yi-hui, et al. Thermal Degradation Kinetics of Aluminum Diethylphosphinate in Synchronizing Phosphorous Silicone Flame-Retarded PA66[J]. Engineering Plastics Application, 2020, 48(4): 105—111.

[4] 陳光偉, 張強(qiáng). 良外觀耐高靜壓玻纖增強(qiáng)PA66復(fù)合材料制備及性能[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2020, 48(6): 27—31. CHEN Guang-wei, ZHANG Qiang. Preparation and Properties of Glass Fiber Reinforced PA66 Composite with Good Appearance and High Static Pressure Resistance[J]. Engineering Plastics Application, 2020, 48(6): 27—31.

[5] 孔茗, 傅戈雁. 塑料激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用[J]. 塑料科技, 2018, 46(12): 68—71. KONG Ming, FU Ge-yan. Application of Plastic Laser Welding Technology in Automobile Manufacturing[J]. Plastics Science and Technology, 2018, 46(12): 68—71.

[6] 張玉坤. 塑料焊接在汽車(chē)燈具中的應(yīng)用及其影響因素探究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用, 2019, 48(2): 139—143. ZHANG Yu-kun. Study about the Application of Plastic Welding on Automobile Lamps and Its Influencing Factors[J]. Synthetic Materials Aging and Application, 2019, 48(2): 139—143.

[7] 谷鈺, 張麗杰, 呂翹楚, 等. 熱塑性塑料的光纖半導(dǎo)體激光透射焊接系統(tǒng)[J]. 光學(xué)精密工程, 2015, 23(10): 42—46. GU Yu, ZHANG Li-jie, LYU Qiao-chu, et al. Fiber-Optic Semiconductor Laser Transmission Welding System for Thermoplastics[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(10): 42—46.

[8] 王燕, 侯文博, 張海軍. 激光焊接在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 醫(yī)療裝備, 2018, 31(5): 196—199. WANG Yan, HOU Wen-bo, ZHANG Hai-jun. Laser Welding in the Field of Medical Devices[J]. Chinese Journal of Medical Device, 2018, 31(5): 196—199.

[9] 上官同英, 劉冬敏, 陳志. 激光透射焊接摻雜玻璃纖維ABS和PP塑料工藝研究[J]. 應(yīng)用激光, 2019, 39(1): 93—97. SHANGGUAN Tong-ying, LIU Dong-min, CHEN Zhi. Laser Transmission Welding of Fiberglass-Doped ABS and PP[J]. Applied Laser, 2019, 39(1): 93—97.

[10] 王鑫, 潘希德, 黃賀賀, 等. AZ33M變形鎂合金激光焊接接頭的組織和性能研究[J]. 精密成形工程, 2020, 12(1): 123—131. WANG Xin, PAN Xi-de, HUANG He-he, et al. Microstructure and Properties of Wrought Magnesium Alloy AZ33M Laser Beam Welds[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(1): 123—131.

[11] 劉會(huì)霞, 張惠中, 丁國(guó)民, 等. HDPE激光透射焊接工藝的研究[J]. 材料工程, 2018, 31(5): 196—199. LIU Hui-xia, ZHANG Hui-zhong, DING Guo-min, et al. Research on Laser Transmission Welding HDPE[J]. Journal of Materials Engineering, 2018, 31(5): 196—199.

[12] 張新, 張靖安. PP塑料激光透射焊接剪切強(qiáng)度測(cè)試方法研究[J]. 激光與紅外, 2014(6): 619—623. ZHANG Xin, ZHANG Jing-an. Study on Tensile-Shearing Strength Test Method of Polypropylene Jointed by Laser Transmission Welding[J]. Laser & Infrared, 2014(6): 619—623.

[13] 侯軍, 楊會(huì)武, 周顯榮, 等. 煤礦機(jī)械用Q690高強(qiáng)鋼激光-MAG復(fù)合焊可行性分析[J]. 精密成形工程, 2020, 12(1): 117—122. HOU Jun, YANG Hui-wu, ZHOU Xian-rong, et al. Feasibility Analysis of Laser-MAG Hybrid Welding of Q690 High Strength Steel for Coal Mining Machinery[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(1): 117—122.

[14] 王蕾. 汽車(chē)油管PE塑料激光焊接工藝研究[J]. 塑料工業(yè), 2019, 47(9): 74—76. WANG Lei. Process Research on Laser Welding of PE Plastic in Automotive Tubing[J]. China Plastics Industry, 2019, 47(9): 74—76.

[15] 徐俊中, 趙逸瓊, 王煒, 等. 離子束平動(dòng)刻蝕工藝衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)及制作[J]. 光學(xué)技術(shù), 2002, 28(4): 345—346. XU Jun-zhong, ZHAO Yi-qiong, WANG Wei, et al. Design and Fabrication of Diffractive Optical Elements for Ion Beam Moving Etching Technology[J]. Optical Technique, 2002, 28(4): 345—346.

Technical Study on Ring Laser Beam Welding of Polymer Materials

ZHAO Hai-fa, LI Xiao-wei

(Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 454650, China)

In order to improve the shear strength of plastic welding seam and meet the requirements of actual production, the laser welding experiment was carried out by using ring laser spot, and the optimal process parameters were obtained through three-factor and three-level orthogonal experiment on the process parameters of laser power, welding speed and defocusing. Under the obtained optimal process parameters, the maximum shear strength of PA66 plastic weld was 21.6 MPa, i.e., the laser power was 50 W, the welding speed was 150 mm/s, and the defocusing was 5 mm. The analysis of cross section of welds showed that the penetration depth of welds was uniform and there was no porosity in the welds, which was welded by the ring laser beam. The range analysis results of orthogonal experiment showed that the influence factors on the shear strength of welds was defocusing, laser power and welding speed in order from primary to secondary.

ring laser beam; laser welding; polymer materials; technical study

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.025

TG456.7

A

1674-6457(2021)03-0188-05

2021-03-22

趙海發(fā)（1979—），男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>