激光技術(shù)在異種塑料材料焊接中的應(yīng)用*

龐振華，張 衛(wèi)，任 豪，張慶茂，梁錫輝

（1.廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院，廣東廣州 510663；2.華南師范大學(xué)，廣東廣州 510006）

0 引言

高分子材料在尖端技術(shù)、國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而塑料作為高分子材料中最重要的一部分，以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在汽車、醫(yī)療設(shè)備及電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。而且，許多零部件傳統(tǒng)使用的材料也開始逐漸被塑料所代替。如汽車進(jìn)氣歧管[3]、生物芯片[4]等。

但是，隨著塑料的廣泛使用，對復(fù)雜塑料件的連接成為影響塑料件質(zhì)量的重要因素。工程上比較常用的塑料連接方法主要有粘合劑連接、溶劑連接和熱焊接等。傳統(tǒng)的塑料連接方式存在很多不足之處[5-8]。

基于激光束具有單色性好、能量密度高、空間控制性和時(shí)間控制性良好等一系列優(yōu)點(diǎn)，激光塑料焊接技術(shù)具有傳統(tǒng)的焊接方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)[9-11]：焊縫尺寸精密、牢度、密封性好，焊件表面完好無損；樹脂降解少，產(chǎn)生的碎屑少，由于激光的非接觸特性，不產(chǎn)生污染；易于控制，可實(shí)現(xiàn)自動化操作，具有良好的適應(yīng)性，可焊接尺寸小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，焊接速度快；極大的減小了制品的震動應(yīng)力和熱應(yīng)力，減慢了焊件的老化速度；激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工。

由于激光焊接在成本與性能方面巨大優(yōu)勢，在塑料制品的加工中，激光焊接已經(jīng)成為一種新興的更加快速、有效、環(huán)保的焊接方式。

1 激光塑料焊接的基本原理與方法

激光焊接塑料的原理又稱為激光透射焊接，其先決條件就是兩零件之一能夠透過激光，而另一個(gè)零件必須能吸收激光，如圖1所示[12]。在焊接過程中，將激光器產(chǎn)生的光束聚焦于待焊接區(qū)域，激光束透過一個(gè)零件，然后在兩零件接觸面被另一個(gè)零件吸收，形成熱作用區(qū)；在熱作用區(qū)中的塑料被融化，熱熔狀態(tài)下的塑料大分子在焊接壓力的作用下互相擴(kuò)散，產(chǎn)生范德華力，從而緊密地連接在一起，這樣已熔化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來。

圖1 激光透射焊接基本原理示意圖

根據(jù)激光器隨塑料零件移動方式和掃描方式的不同，目前研究可把激光塑料焊接方法分成以下七種類型[13]：輪廓焊接、同步焊接、準(zhǔn)同步焊接、掩膜焊接、放射狀焊接、衍射焊接和Globe焊接，如圖2所示。

圖2 激光塑料焊接方法示意圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用Violino-3系列全風(fēng)冷端泵浦半導(dǎo)體激光器，如圖3所示。其主要的技術(shù)參數(shù)為：波長1 064 nm；標(biāo)稱功率20 W±5%；峰值功率116 kW；脈沖寬度6 ns；頻率寬度20～200 kHz；光束質(zhì)量M2＜2；功率穩(wěn)定度＜±1%rms。

圖3 Violino-3系列全風(fēng)冷端泵浦半導(dǎo)體激光器

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

目前激光塑料焊接主要在汽車、電器以及醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛。針對這些領(lǐng)域，本實(shí)驗(yàn)選取了透明PC(聚碳酸酯)、乳白色ABS(丙烯晴─丁二烯─苯乙烯共聚合物)以及黑色POM(聚甲醛)等材料進(jìn)行焊接工藝的研究，制作的焊接材料的尺寸如表1所示，其中吸光材料中心鉆Φ13的孔，以便于對制作的焊接試件進(jìn)行推力測試。焊接材料薄片如圖4所示。

表1 焊接材料尺寸

2.3 材料透光率的測定

基于激光透射焊接的機(jī)理，本實(shí)驗(yàn)首先測定所用材料對1 064 nm波段近紅外激光的透過率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。依據(jù)測試結(jié)果，將PC材料作為焊接試件的透過層（上層），將ABS和POM材料作為焊接試件的吸收層（下層），組合搭配成PC/ABS和PC/POM兩組，分別進(jìn)行激光透射焊接焊接實(shí)驗(yàn)。

圖4 焊接材料薄片

2.4 激光焊接參數(shù)

根據(jù)王霄[14]等人的研究結(jié)果，激光塑料焊接共有6個(gè)影響因素，根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的條件及目的，采用了如表3、4所示的焊接工藝進(jìn)行研究。

表2 實(shí)驗(yàn)材料透過率

表3 PC/ABS焊接工藝參數(shù)

其他未標(biāo)注的參數(shù)為：激光功率8 W；激光頻率30 kHz；夾具夾緊力500 N；光斑半徑0.2 mm；焊后保壓時(shí)間15 s。

表4 PC/POM焊接工藝參數(shù)

其他未標(biāo)注參數(shù)為：夾具夾緊力400 N；光斑半徑0.07 mm；焊后保壓時(shí)間20 s。

2.5 推力試驗(yàn)測試

將焊接試件在LX-8802D微電腦推力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行推力測試。如圖5所示，在載物臺上將焊接試件懸空墊起來，使推力傳感器上的推桿穿過吸光材料上的圓孔后，將推力施加在透光材料上，直至將兩層焊接在一起的材料分離開，從而測試出推力的大小，用來評估焊接試件的牢固程度。

圖5 LX-8802D推力試驗(yàn)機(jī)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 外觀質(zhì)量的觀察

一個(gè)樣品的焊接質(zhì)量好，不僅要求它的焊接強(qiáng)度高，而且對它的外觀質(zhì)量也應(yīng)該有較高的要求。從而可以更好地滿足工業(yè)應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)對樣品的外觀照片進(jìn)行了對比，如圖6、7所示。

結(jié)果顯示，透明PC與黑色POM焊接時(shí)，由于吸光材料為黑色的POM，掩蓋了試樣所產(chǎn)生的色變，試樣的外觀質(zhì)量基本沒有變化。而透明PC與乳白色ABS焊接時(shí)，白色的基底可以明顯反應(yīng)出材料存在的色變。

圖6 PC/ABS焊接試件外觀照片

圖7 PC/POM焊接試件外觀照片

在PC/ABS焊接時(shí)，從樣品e、f和g可以明顯看出結(jié)合面出現(xiàn)了明顯的黑色與焦黃色焊縫，而樣品b、c的發(fā)黑部分是由于透光玻璃污染所致。樣品出現(xiàn)黑色焊縫的主要原因是焊接速度變慢時(shí)，激光能量太高，超出了使材料熔化所需要的能量，材料被碳化、分解，所以在焊接接觸面出現(xiàn)了黑色與焦黃色焊縫。另外，透明PC內(nèi)部存在的微氣孔，在激光的熱作用下會在PC內(nèi)部炸開，燒蝕PC，并對激光的透過產(chǎn)生影響，也是產(chǎn)生焊接試樣色變的重要原因。

3.2 推力試驗(yàn)結(jié)果分析

為了綜合評價(jià)激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊接強(qiáng)度的影響，本實(shí)驗(yàn)引入了焊接體能量[15]的定義，并總結(jié)了焊接體能量與焊接強(qiáng)度間的關(guān)系。

焊接體能量EV的定義為：沒有充分的熱熔，試樣主要靠界面處的范德華力結(jié)合在一起，并未焊牢；而當(dāng)焊接體能量過高時(shí)，會造成材料的熱分解，在焊接界面處形成空洞等缺陷，影響焊接強(qiáng)度。因此，選擇適當(dāng)?shù)暮附芋w能量才可以得到較好的焊接強(qiáng)度。

表5 PC/ABS焊接試樣推力數(shù)據(jù)

表6 PC/POM焊接試樣推力數(shù)據(jù)

從PC/POM實(shí)驗(yàn)組b、d與e可以看出，當(dāng)焊接體能量固定時(shí)，激光頻率變大，試樣的焊接強(qiáng)度也呈現(xiàn)增加的趨勢。主要原因是較高的頻率可以使焊接材料吸收足夠的能量并將其轉(zhuǎn)化成熱量，有利于材料的熔融，從而形成強(qiáng)度較高的焊縫。

4 技術(shù)應(yīng)用

某公司提供的是某款手機(jī)的外殼與保護(hù)屏，如圖8所示。手機(jī)外殼是黑色的ABS，保護(hù)屏是透明的PC。

實(shí)驗(yàn)采用輪廓焊接的方法，激光沿著待焊區(qū)域掃描一周，從而完成焊接。焊接后采用VML250光學(xué)影像測量儀觀察產(chǎn)品的外觀，采用LX-8802D微電腦拉力試驗(yàn)機(jī)測試產(chǎn)品力學(xué)性能。焊接后產(chǎn)品的外觀如圖9所示。

圖8 手機(jī)外殼與顯示屏

圖9 焊接后產(chǎn)品外觀

從圖9（b）可以看出，通過激光焊接后，焊接區(qū)域均勻，外觀未產(chǎn)生明顯的色變。焊接后，對產(chǎn)品不同的焊接區(qū)域進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果顯示產(chǎn)品所能承受的平均拉力為99 N，符合客戶要求。

5 結(jié)論

本論文著重研究了不同塑料材料之間進(jìn)行激光焊接的可行性和工藝過程，通過對焊接樣品進(jìn)行性能測試，得出以下結(jié)論。

（1）證實(shí)了激光技術(shù)可以成功實(shí)現(xiàn)異種塑料間的焊接。

（2）通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比可以看出，焊接體能量過低時(shí)，焊接強(qiáng)度較低；焊接體能量過高時(shí)，材料會碳化，影響外觀質(zhì)量。當(dāng)焊接體能量固定時(shí)，激光頻率變大，試樣的焊接強(qiáng)度也呈現(xiàn)增加的趨勢。因此，要獲得較好的外觀質(zhì)量與力學(xué)性能的焊接試樣，需要選擇合理的焊接工藝參數(shù)。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，激光塑料焊接是一種新興的更加快速、有效、環(huán)保的焊接方式。激光塑料焊接可以得到與母材色度相近、力學(xué)性能良好的焊接試樣，并可以成功的實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。

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