聚苯乙烯與鈦激光透射連接工藝研究

2018-11-23 07:48:58劉會霞譚文勝孫躍東

激光技術 2018年6期

李靜，劉會霞*，譚文勝，孫躍東，申祥，王霄

(1.江蘇大學機械工程學院，鎮江 212013；2.常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，常州 213164)

引言

激光透射連接因具有連接質量好、變形小、效率高、容易操作、非接觸式、自動化等優點，成為具有生物相容性材料的金屬和聚合物的連接(封裝)工藝，在醫學方面有廣泛的應用[1-3]。

當今對于聚合物與金屬的研究有以下幾個方面：對影響連接質量的參量進行優化；對形成接頭的機理進行研究；采取各種技術提高強度。研究的聚合物與金屬大多是容易實現連接的材料。AHSAN等人進行了兩組材料之間的連接實驗，并分析了連接機理,兩組材料分別是鈦和聚酰亞胺(polyimide，PI)，PI和鍍鈦玻璃[4]。WANG等人采用激光透射連接的方法研究了聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)和316L號不銹鋼，揭示了接頭連接質量隨工藝參量變化的規律，并對工藝進行了優化組合[5]。GEORGIEV等人研究發現Teflon?FEP與Ti形成較強連接的原因是在接頭處生成了Ti—F化學鍵[6]。WANG等人研究了PET和Ti之間的激光透射連接，發現在PET和Ti之間也形成了化學鍵Ti—C[7-8]。

ROESNER等人研究的是多種聚合物材料與金屬之間的激光透射連接，聚合物包括玻纖增強的尼龍66、尼龍66和聚碳酸酯。采用激光燒蝕金屬的方法在金屬表面加工出凹槽，在焊接的過程中，上層的聚合物會被融化，熔融的聚合物會流進凹槽形成機械鉚接，從而提高連接強度[9]。BERGMANN等人研究的是尼龍和鋼板之間的激光透射連接，為了提高連接強度，通過在鋼板表面進行手工噴砂，制造出較為粗糙的鋼板表面，再進行激光透射連接，有效提高了連接強度，還提出表面粗糙度不能作為確定連接強度的標準[10]。YUSOF等人對PET和經過表面陽極化處理的A5052進行激光透射連接，實驗研究發現，連接強度隨著熱輸入和脈沖持續時間的增加而提高，PET與A5052 (陽極化處理) 和PET/A5052 (未經處理) 在激光透射焊接時都形成了明顯的熔池，連接的強度主要受熱輸入影響而不是脈沖持續時間。同時氣泡的產生和熔池的深度也是影響連接強度的兩個方面[11]。綜合上述研究，提高接頭連接強度的方法主要是通過對金屬進行微織構或對金屬進行處理，但是對聚合物表面進行處理來提高強度的研究還比較少。

ARAI等人通過對環烯烴聚合物(cyclolefin polymer，COP)和SUS304不銹鋼進行表面改性處理后再進行激光透射連接，從而解決了COP與SUS304無法連接的問題[12]。本文中對上層材料為聚苯乙烯(polystyrene,PS)、下層材料為薄鈦的板材進行透射連接，聚苯乙烯為非極性材料，發現不經處理的聚苯乙烯與鈦連接強度極低，為解決上述問題，本文中借鑒上述對聚合物表面改性和對金屬進行表面處理的方法，提出對聚苯乙烯進行氧等離子體改性處理，同時對鈦進行激光表面處理[13]，然后再進行激光透射連接，解決了聚苯乙烯與薄鈦板無法實現連接的問題。重點討論了連接工藝參量與連接強度的數學模型的建立，并分析了表面處理功率、激光連接速率、表面掃描速率、激光連接功率、氧等離子體處理時間的交互式影響及優化工藝參量組合。

1 聚苯乙烯與鈦表面處理及連接實驗

1.1 試樣準備

實驗中選用的具有生物相容性的材料為薄鈦板和聚苯乙烯，試樣尺寸均為50mm × 20mm × 0.1mm。在進行實驗之前需要用酒精對鈦金屬和聚苯乙烯表面進行清洗，并放在干燥箱內干燥12h，以除去表面的油污和灰塵。

1.2 激光表面處理實驗

激光表面處理的原理是在大氣條件下用激光掃描鈦表面，通過加熱進行滲氧，在金屬表面產生一定厚度的氧化層。激光表面處理的激光能量密度是指鈦在單位時間內單位面積上吸收激光照射的能量[14]，公式如下：

(1)

式中，P是激光功率，v是掃描速率，dspot是光斑直徑。可以發現激光能量密度與功率成正比，而與掃描速率及光斑直徑成反比。將光斑直徑設定為2mm,可以得到合適的表面處理區域寬度，約為2mm寬，可以使鈦樣品有足夠的處理面積來進行連接實驗。

實驗中需要通過控制激光器功率、掃描速率、掃描次數以及光斑直徑來調整激光能量密度，從而實現在鈦表面形成一定厚度的氧化層，并防止出現處理失效的情況。比如能量密度過低，會出現處理效果不明顯，氧化層厚度較低；能量密度過高，會出現表面燒蝕現象。

1.3 氧等離子體處理實驗

聚苯乙烯氧等離子體處理采用的儀器為HD-1B型低溫等離子體處理儀，裝置由真空系統、真空測量計、內平行電極電容耦合圓筒狀反應室、SY型500W射頻功率源、SG-Ⅲ型功率計、SP-Ⅱ型射頻匹配器(射頻頻率為13.56MHz)、DK800-4型玻璃轉子氣體流量控制閥、ZDO-2型熱偶真空測量計等組成。低溫等離子體處理儀功率設置為150W，真空度默認為40Pa。

1.4 激光透射連接實驗

實驗中采用搭接焊，圖1為激光透射連接的原理圖。激光器采用德國DILAS半導體激光器進行激光透射連接實驗，輸出波長為(980±10)nm，最小的光斑直徑是700μm～800μm，輸出功率是(0～130)W，工作時溫度應保持在15℃～25℃之間，激光器配備有自冷卻系統。控制軟件為DyiT，行程范圍是300mm× 300mm×200mm，最大速率為50mm/s。測試連接強度的儀器是UTM4104型試驗機，v=3mm/min。

Fig.1 Schematic of laser transmission bonding

直接進行激光透射連接實驗時，試樣無法實現連接，而對鈦進行表面處理，表面處理功率為5W，表面處理掃描速率為2mm/s，表面處理掃描次數為6次，同時聚苯乙烯氧等離子體處理時間為120s，再進行激光透射連接實驗，激光連接功率為5W，激光連接速率為2mm/s，離焦量為1mm，連接件如圖2所示。連接件效果很好，外形美觀，焊縫均勻，無明顯缺陷，并且連接強度達到6.25MPa。上面的實驗結果表明，通過激光表面處理的鈦和經氧等離子體處理后的聚苯乙烯能夠有效提高聚苯乙烯與鈦激光透射連接的強度。氧等離子體處理使得聚苯乙烯表面產生了大量含氧官能團[15]，激光預氧化處理使鈦產生氧化反應，在鈦表面產生鈦氧化膜[16]，而聚合物中的活性官能團(氨基或羧基)能夠與金屬氧化物發生反應[17]，因此,氧等離子體處理和激光預氧化處理能夠提高連接的強度。

Fig.2 Diagram of sample connection

2 連接工藝參量建模與優化

2.1 工藝參量的篩選

影響連接接頭質量的工藝參量有激光連接功率T1、激光連接速率T2、離焦量T3、表面處理功率T4、表面處理掃描速率T5、表面處理掃描次數T6、氧等離子體處理時間T7。如果進行響應曲面優化就至少需要152次實驗，這種方式效率極低，因此在進行工藝優化之前先做篩選實驗是很有意義的。

參量實驗設計對每個因素取低、中、高 3個水平。7個變量之間是互不影響的，表1所示是各變量的變化范圍。

Table1 Primary process parameters and their ranges

進行22次采樣實驗后，各個變量都會有響應值，輸入的各參量和響應值可以通過下式建立回歸模型：

(2)

式中，y代表響應值，xi(i=1,2,…,k)是設計變量，β0,βi(i=1,2,…,k)和βij(i=1,2,…,k;j=1,2,…,k)是建立的回歸模型的系數，然后對(2)式求微分得：

y=∑(βidxi)+∑(2βixidxi)+

∑(βijxjdxi)

(3)

通過上式可得出xi對響應值y的1階線性主效應：

Sxi=βidxi

(4)

2階項的主效應為：

Sxi2=2βixidxi

(5)

因為各變量的取值區間不相同，故需要進行歸一化處理，然后采用最小二乘法擬合得到模型系數Sxi，通過下式可以計算出各變量的貢獻率，Nxi可以反映各設計變量對連接強度的影響值:

(6)

各設計變量的Pareto圖如圖3所示，通過該圖可以直接觀察得出各設計變量的影響力大小。

Fig.3 Pareto diagram of the response of welding parameters to welding strength

通過圖3中的結果可以得出，T3,T6這2個變量對連接強度的影響較小。因此可以去除這2個變量，并得出影響因素相對較大的5個實驗參量中，其對連接強度的貢獻率排序為：表面處理功率>激光連接速率>表面掃描速率>激光連接功率>氧等離子體處理時間。以剩余的5個設計變量進行下一輪的實驗參量優化設計。

2.2 實驗設計

實驗中采用的設計方法是中心復合設計，共5個因素，每個因素有3個水平。單因素實驗可以確定出各影響因素對連接強度的影響規律和大致的工藝參量范圍，以此工藝參量范圍作為優化設計變量的取值范圍。表2為工藝參量的范圍。

Table 2 Process parameters and their limits

通過在Design-Expert中設置表2的參量范圍可以得到實驗設計矩陣，共進行50組工藝參量交互式實驗，并通過拉伸機測試出相應的連接強度，獲得響應值。

響應變量y和自變量(x1,x2,…,xk)之間的函數逼近式為：

y=f(x1,x2,…xk)+ε

(7)

式中，y代表響應，x代表變量，ε代表系統誤差，k表示取樣個數。

2階無偏差響應曲面模型為：

(8)

式中，β0為常數，βi為線性系數，βii表示平方項系數，βij表示交互項系數。其中i=1，2，…，k；j=1，2，…，k。

2.3 數學模型建立

A,B,C,D,E分別代表激光連接功率、激光連接速率、表面處理功率、表面掃描速率、氧等離子體處理時間，通過方差分析(analysis of variance，ANOVA)，如表3所示，得出F值為115.19；按實驗設計理論[18]，P值能夠反映出所建立的模型是否可靠，如果P≤ 0.05則認為在可接受的誤差范圍內，本文中P<0.0001顯示該模型擬合效果顯著。該模型的擬合度為0.9876，預測擬合系數值為0.9690，修正擬合系數值為0.9790，兩個數值基本相等。信噪比的值為25.094，該值大于4則說明該模型對于相應的預測滿意[19]，表明模型在使用的工藝范圍內可以對響應進行很好的預測。以上分析說明，通過響應曲面方法建立的數學模型是有意義的。

Table 3 Table of variance analysis for joint width model

使用Design-Expert分析實驗結果,建立5個工藝參量與連接強度S之間的編碼方程，表達式如下：

S=6.25-0.025A-0.075B-0.041C-4.118×

10-3D-0.017E+0.034AB-6.875×10-3AC-

5.000×10-3AD-0.025AE-0.021BC-

7.500×10-3BD+0.010BE-1.250×10-3CD+

0.010CE+0.012DE-1.58A2-0.36B2-

1.02C2-0.41D2-1.41E2

(9)

2.4 工藝參量對連接強度影響分析

圖4顯示出中心點處各個工藝參量對連接強度影響的變化趨勢。圖中A,B,C,D,E曲線分別代表激光連接功率、激光連接速率、表面處理功率、表面掃描速率、氧等離子體處理時間的影響。隨著各個工藝參量的增大，連接強度都是先增大后減小。

Fig.4 Relationship between the effect of process parameters and joint strength

圖5是表面處理功率和表面掃描速率對連接強度的交互式影響趨勢。當表面處理功率為4W～5W和表面掃描速率為1mm/s～2mm/s時，隨著表面處理功率和表面掃描速率的增加，連接強度不斷提高；當表面處理功率為5W～6W和表面掃描速率為2mm/s～3mm/s時，隨著表面處理功率和表面掃描速率的增加，連接強度逐漸降低。當表面掃描速率低于2mm/s時，隨著表面處理功率的提高，純鈦表面逐漸形成鈦氧化物層和氧擴散層[13]，此時鈦氧化物層與基體結合較強[20]，聚苯乙烯表面的含氧官能團與鈦氧化物層發生反應[17]，連接強度得到提高；當表面處理功率大于5W時，鈦氧化膜出現裂紋，甚至從基體脫落，因此連接強度逐漸降低。當表面掃描速率大于2mm/s時，由于表面掃描速率較快，鈦金屬表面吸收能量不足，導致氧化不充分，因此連接強度不高。