激光透射焊接異種塑料的實(shí)驗(yàn)研究

曲兆展，蔡令波，謝良越，王劍磊，孟憲鳳，趙顯，王春

(山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心，山東青島 266237)

塑料具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和絕緣性，同時(shí)兼具質(zhì)輕、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。在過(guò)去的幾十年當(dāng)中取代了大量的傳統(tǒng)材料，在醫(yī)療、汽車制造、食品包裝、汽車制造等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[2–3]。

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和產(chǎn)品輕量化的需求，異種熱塑性塑料之間的連接需求逐步增加，由于塑料的熱導(dǎo)率相對(duì)金屬材料較低且熱敏感度高[4]，此外不同材料之間的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、比熱容等參數(shù)存在差異，只有相容性較好的異種塑料之間才容易實(shí)現(xiàn)焊接[5]，導(dǎo)致異種塑料焊接的難度較大。與常見(jiàn)的熱板焊接、超聲焊接等方式相比，激光透射焊接具有能量集中、精密度高、加工作用力小等優(yōu)勢(shì)[6–7]。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了異種塑料激光透射焊接的相關(guān)研究，李品等[8]使用紅外加熱輔助方式對(duì)透明聚碳酸酯(PC)塑料和涂有Clearweld吸收劑的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚砜(PSU)熱塑性塑料進(jìn)行了激光透射焊接，結(jié)果表明該方式可有效提高異種塑料焊接試樣的焊縫剪切力；龐振華等[9]使用激光輪廓焊接的方式對(duì)透明PC和黑色ABS進(jìn)行了焊接并得到了達(dá)到市場(chǎng)需求的試樣；伍彥偉等[10]對(duì)異種PC和聚苯醚(PPE)進(jìn)行了激光透射焊接并用響應(yīng)曲面法對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，得到了焊接強(qiáng)度最大為6.51 MPa的試樣；上官同英等[11]設(shè)計(jì)了田口實(shí)驗(yàn)的方法并提出了面能量的概念，實(shí)現(xiàn)了摻雜玻璃纖維的ABS和PP塑料的焊接并得到了較好的效果；諸金等[12]使用915 nm的激光配合納米氧化銦錫吸收劑材料實(shí)現(xiàn)了PC和ABS的激光焊接。

由于熱塑性塑料對(duì)1.7～2 μm波段激光的吸收通常強(qiáng)于近紅外波段[13–14]，因此使用該波段的激光可以在不使用激光吸收劑的情況下對(duì)異種塑料進(jìn)行有效的焊接，降低生產(chǎn)成本[15]。目前國(guó)內(nèi)使用此波段的激光進(jìn)行異種塑料焊接的相關(guān)研究較少，筆者使用波長(zhǎng)1 910 nm的半導(dǎo)體激光器對(duì)透明PC和白色ABS塑料進(jìn)行透射焊接實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)焊接過(guò)程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析，優(yōu)化焊接參數(shù)并使用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的焊縫強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，找到了適合兩種材料焊接的實(shí)驗(yàn)條件。

1 實(shí)驗(yàn)原理及材料、設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1所示為激光透射焊接的原理圖。傳統(tǒng)激光透射焊接是指上層透明塑料對(duì)近紅外波段的光的吸收率較小，激光經(jīng)過(guò)兩層塑料只有較少部分被吸收，難以產(chǎn)生足夠的熱量使焊接完成，因此需要在下層塑料的上表面添加激光吸收劑，激光被吸收劑吸收后釋放熱量在其附近形成熱作用區(qū)，兩層塑料板材熔化并在壓力和熱膨脹的作用下焊接在一起。而熱塑性塑料對(duì)1 910 nm的激光吸收較強(qiáng)，因此只需將激光束聚焦于兩層塑料的接觸面，激光就可以被兩層塑料吸收從而避免使用吸收劑。

圖1 激光透射焊接原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

筆者所用的透光層材料為佛山市華廈綠寶建材有限公司生產(chǎn)的透明PC，具有透光率性能好、抗沖擊能力強(qiáng)、及易加工成型等諸多優(yōu)點(diǎn)；所用的吸收層塑料為深圳市柏萊瑞絕緣材料有限公司生產(chǎn)的白色的ABS，這種塑料強(qiáng)度高、耐熱性好、化學(xué)性能穩(wěn)定，兩者都是綜合性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料。這兩種塑料的連接產(chǎn)品綜合了各自的優(yōu)點(diǎn)，常被用于汽車、手機(jī)零件等領(lǐng)域。兩種材料的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。異種塑料焊接時(shí)，上下層材料的溫差屬性較大有可能導(dǎo)致一種材料發(fā)生熔融而另一種材料未達(dá)到熔融溫度導(dǎo)致兩層焊接試樣融合不充分，焊接強(qiáng)度較低；或是一種材料吸收熱量過(guò)多率先達(dá)到熱分解溫度另一種塑料還處于熔融狀態(tài)，這種情況會(huì)使一種塑料分解產(chǎn)生外觀缺陷。由表1可以看出，熱作用區(qū)的溫度在140～270℃區(qū)間內(nèi)兩種塑料均發(fā)生熔化且未達(dá)到分解溫度。

表1 PC和ABS相關(guān)參數(shù)

圖2為上層PC材料在700～2 000 nm波段內(nèi)的透過(guò)率曲線圖(測(cè)量設(shè)備為Perkin Elmer公司 Lambda 950型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì))，可以看出PC在1 910 nm處的透光率明顯低于可見(jiàn)光波段的透過(guò)率，表明上層PC材料能透過(guò)1 910 nm激光的同時(shí)對(duì)其有較好的吸收能力，這解釋了1 910 nm的激光可以在不使用吸收劑的情況下能夠焊接透明塑料的原因。在對(duì)塑料板材進(jìn)行焊接之前對(duì)其進(jìn)行超聲處理，去除板材表面雜質(zhì)和油污，并放入干燥箱內(nèi)烘干，減少對(duì)焊接效果的影響。

圖2 上層PC材料在不同波長(zhǎng)下的透過(guò)率曲線圖

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

筆者使用的激光器為波長(zhǎng)1910 nm半導(dǎo)體激光器[ES-6319型，中科正源(山東)光電科技有限公司]，最大輸出功率為30 W，激光器通過(guò)水溫設(shè)置為20℃的水冷機(jī)散熱，輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖耦合傳輸至焊接頭(焊接頭被固定在X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái))，激光經(jīng)焊接頭聚焦于X-Y平面，調(diào)整Z軸高度使激光焦點(diǎn)位于兩層塑料的接觸面上，焊接頭的運(yùn)動(dòng)軌跡可根據(jù)三維移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)置的程序控制，本次實(shí)驗(yàn)的焊縫設(shè)置為沿Y軸方向的一條直線，長(zhǎng)度為30 mm。將兩塑料層疊放置(重合部分的寬度為20 mm)并使用夾具夾緊，適當(dāng)?shù)膴A持力有利于提高焊接試件的質(zhì)量，焊接過(guò)程如圖3所示。

圖3 焊接原理圖

焊接完成后使用電子顯微鏡(50X-500X型，米歐特公司)觀察焊縫的形貌及材料表面的微觀痕跡，并對(duì)試樣進(jìn)行拉力測(cè)試。電子拉力試驗(yàn)機(jī)(DL-5000型，天津市港源試驗(yàn)儀器公司)，拉伸速度為5 mm/min，如圖4所示。由于拉伸兩層塑料板材時(shí)力的方向不在同一直線，在夾具的夾持位置加上填充物可以減少附加彎矩的產(chǎn)生從而避免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖4 拉力測(cè)試過(guò)程

筆者采用熱輸入綜合分析工藝參數(shù)對(duì)焊接試樣拉拔力的影響規(guī)律，熱輸入定義為：

式中：E為激光的熱輸入，J/mm；P為激光功率，W；v為焊接速度，mm/s。用拉拔力N和剪切力σ表示試件的強(qiáng)度，其中N即為兩焊接試樣經(jīng)電子拉力試驗(yàn)機(jī)拉伸后從焊縫處分離的力學(xué)數(shù)值，N；試件的剪切力σ的計(jì)算公式為：

式中：σ的單位是N/mm2；D和L分別為焊縫的寬度和長(zhǎng)度，mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接參數(shù)對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

圖5為不同功率下PC/ABS試樣拉拔力隨焊接速度的變化曲線。首先在激光功率為10 W時(shí)對(duì)PC/ABS塑料進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，焊接速度為6 mm/s時(shí)板材虛焊；焊接速度為5 mm/s時(shí)兩層塑料焊接成功但焊縫寬度較窄，兩層塑料的融合程度一般導(dǎo)致焊接試件強(qiáng)度較低；隨著焊接速度的減小焊縫寬度加寬使兩層材料均勻融合且密封性極好，在焊接速度為3 mm/s時(shí)，試件焊縫強(qiáng)度最大達(dá)到了371.2 N；此后隨著焊接速度的減小，焊接板材吸收熱量過(guò)多，焊縫中出現(xiàn)部分燒焦點(diǎn)，導(dǎo)致試件的拉拔力降低，最終在速度為2 mm/s時(shí)，焊縫溫度過(guò)高導(dǎo)致材料分解，導(dǎo)致試件的焊接強(qiáng)度較低。調(diào)整焊接功率分別為20 W和30 W，并改變對(duì)應(yīng)的焊接速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明不同功率下焊縫的拉拔力隨焊接速度的變化均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)?；谒褂玫募す馄骱退芰习宀?，激光功率在30 W，焊接速度在9 mm/s時(shí)，試樣焊縫處最大拉拔力達(dá)382.6 N。

圖5 不同激光功率下PC/ABS試樣拉拔力隨焊接速度的變化

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得到激光熱輸入值與試樣拉拔力的變化關(guān)系，如圖6所示，熱輸入為3.3 J/mm附近時(shí)，試樣焊接強(qiáng)度最大。不同功率下得到的熱輸入和試樣拉拔力的關(guān)系曲線有很好一致性，為提高焊接效率，可選擇30 W的功率下進(jìn)行材料焊接。

圖6 不同功率下PC/ABS試樣拉拔力隨激光熱輸入的變化

2.2 焊接參數(shù)對(duì)焊接外觀的影響

圖7為幾組不同熱輸入下的焊接試樣。熱輸入為2.5 J/mm時(shí)，焊縫寬度均勻、整體氣密性較好；隨著熱輸入增加至3.3 J/mm，可以看出PC和ABS焊縫的中心處留下了一條清晰的融合線，此時(shí)試樣拉拔力最大達(dá)到了382.6 N；隨著熱輸入的持續(xù)增加至4 J/mm，焊縫中產(chǎn)生了部分燒焦點(diǎn)導(dǎo)致試樣強(qiáng)度降低；當(dāng)熱輸入增加值5 J/mm時(shí)塑料吸收熱量過(guò)多產(chǎn)生分解，進(jìn)行拉力測(cè)試時(shí)試樣強(qiáng)度明顯降低。

圖7 PC/ABS焊接試樣外觀

使用電子顯微鏡對(duì)以上幾組試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)熱輸入為2.5 J/mm時(shí)，焊縫寬度較窄且相對(duì)于焊縫周圍的熱影響區(qū)分界線不明顯。當(dāng)熱輸入增加至3.3 J/mm時(shí)，焊縫寬度明顯加寬且焊縫中存在些許肉眼不可見(jiàn)的氣泡，焊縫與熱影響區(qū)之間存在清晰的邊界，此時(shí)焊縫的強(qiáng)度較高；隨著激光熱輸入繼續(xù)增加至4 J/mm焊縫中產(chǎn)生了少許燒焦點(diǎn)且焊縫寬度降低。當(dāng)熱輸入為5 J/mm時(shí)塑料吸收激光能量較多產(chǎn)生的熱量使上層PC塑料整體發(fā)生燒焦并向上凸起，焊縫寬度和熱影響區(qū)的面積均減小，焊縫強(qiáng)度明顯降低。由此可知當(dāng)焊縫中存在部分氣泡且無(wú)燒焦時(shí)對(duì)透明PC和純白ABS塑料的焊接更加有利。

圖8 不同熱輸入下PC/ABS試樣的焊縫微觀形貌

3 結(jié)論

(1) 對(duì)異種塑料焊接的相關(guān)研究及激光透射焊接的原理進(jìn)行了總結(jié)與分析，并找到了適合透明PC和純白色ABS焊接實(shí)驗(yàn)的溫度范圍約為140～270℃。

(2) 實(shí)驗(yàn)中焊接試樣可承受的拉拔力最大時(shí)，焊縫中無(wú)燒焦點(diǎn)但存在肉眼不可見(jiàn)的氣泡，焊縫的寬度最寬。

(3) 結(jié)果表明，1 910 nm的半導(dǎo)體激光器是一種能在不添加吸收劑情況下實(shí)現(xiàn)異種塑料焊接的理想光源。本次試驗(yàn)在激光功率為30 W、焊接速度為9.1 mm/s時(shí)，試樣的剪切力達(dá)到了7.25 MPa，對(duì)應(yīng)的熱輸入值為3.3 J/mm。