PA66-GF30透光率對激光透射焊接性能的影響

岳貴成，高健峰，楊建豐，劉春寧

PA66-GF30透光率對激光透射焊接性能的影響

岳貴成，高健峰，楊建豐，劉春寧

（上海亞大汽車塑料制品有限公司，上海 201708）

通過對不同及相同厚度的本色和黑色激光透射PA66-GF30材料進(jìn)行透光率測試，對焊接后的試樣進(jìn)行拉拔測試。文章分析了厚度對透光率的影響，相同厚度材料顏色、透光率對焊接強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著厚度的升高材料透光率下降；相同厚度材料的透光率升高，其焊接強(qiáng)度也依次升高，且本色與黑色的PA66-GF30焊接強(qiáng)度要高于黑色與黑色材料間的焊接。

聚己二酰己二胺；激光透射焊接；透光率；焊接強(qiáng)度

前言

激光透射焊接（Laser Transmission Welding）具有自動(dòng)化程度高、焊接速度快、焊縫在連接區(qū)內(nèi)部、無焊渣等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用在航天航空、汽車、醫(yī)學(xué)裝備以及電氣設(shè)施等領(lǐng)域[1-2,13]。隨著汽車輕量化的發(fā)展，高分子聚合物越來越受到青睞。對于聚合物而言，激光透射焊接需要滿足三個(gè)條件。首先選用的上下層材料熔點(diǎn)盡可能相同或者差距不大，且具有相似的極性，確定兩種材料在熔融狀態(tài)下可以相容。其次，上層材料可以透過激光且保留一定的激光能量，下層材料具有吸收激光的功能，激光在吸光層轉(zhuǎn)換為熱量，通過熱傳遞使得透光層與吸光層的界面區(qū)域熔融。最后，兩層材料在夾具夾緊力的作用下完成熱傳遞，焊接界面熔融并結(jié)合在一起[4-5,9-12]。

在高分子材料領(lǐng)域，尼龍66（PA66）材料較高具有較高熔點(diǎn)、高韌性、自潤滑、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，在玻纖增強(qiáng)后還具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、熱變形溫度以及更好的尺寸穩(wěn)定性[1]，被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊燃油蒸汽系統(tǒng)的零部件。這些部件在裝配過程中多采用激光透射焊接工藝完成連接，使用材料需具備可激光焊接的需求[3,6]。PA66-GF30是應(yīng)用最多的尼龍改性材料，其自身為半結(jié)晶聚合物，本色（Natural Color）尼龍?zhí)烊痪途邆渫高^激光的能力，吸光層通常在改性過程中添加適當(dāng)?shù)奶亢诩纯蓾M足激光焊接要求。隨著客戶需求的增加，本色與黑色材料的焊接越來越多被黑色與黑色材料的焊接所取代。據(jù)研究，黑色透光PA66-GF30可以通過添加特定染色劑（例如不同顏色及比例的蒽醌、紫環(huán)酮）、使用高透光類的玻璃纖維、調(diào)整基材的結(jié)晶速率或與其它材料共聚[3,6,10]等多種方式實(shí)現(xiàn)激光穿透的功能，黑色透光層材料激光透過性能的高低在一定程度上決定了焊接效果的好壞。

本文研究了7種不同廠家PA66-GF30透光料的激光透過率，激光焊接后的焊接面的剪切強(qiáng)度[7-8]，分析了透光率與焊接強(qiáng)度的關(guān)系，對比了本色與黑色材料焊接、黑色與黑色材料焊接強(qiáng)度的情況。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為PA66-GF30材料零部件的激光焊接做理論指導(dǎo)工作。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

7家供應(yīng)商玻纖含量相同的PA66-GF30尼龍改性材料，數(shù)據(jù)對比中不涉及供應(yīng)商信息，以下均用代碼替代。透射激光材料依次記錄為S1A、S2A、S3A(NC)、S4A（NC）、S5A、S6A、S7A，其中S1A、S2A、S5A、S6A、S7A為黑色透光PA66-GF30，S3A、S4A為本色PA66-GF30材料，以下記做S3A（NC）、S4A（NC）。吸收激光材料依次記錄為S1B、S2B、S3B、S4B、S5B、S6B、S7B，吸收激光材料都為黑色PA66-GF30。

雙螺桿擠出機(jī)：平行通向雙螺桿擠出機(jī)TSEΦ65，南京科倍隆機(jī)械有限公司；注塑機(jī)：HTF86/TJ，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；透光率測試儀：全畫面透光率檢測儀，公司自研發(fā)組裝設(shè)備；激光焊接機(jī)：915 nm焊接機(jī)，威克銳光電科技（蘇州）有限公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)：BT2-FR020TEW-A50，德國ZWICK公司。

1.2 樣品制備

原材料干燥處理：試片注塑前先對原材料粒子做烘干處理，熱燥條件90℃干燥4 h，保證材料含水率小于0.1%。

透光率測試片制備：雙螺桿擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速控制在400～600r/min，入料段溫度控制在250～260℃，中間段溫度控制在275～300℃，射嘴溫度控制在270～290℃，模溫90℃，真空壓力為-0.08～-0.06MPa，注塑試片尺寸為100mm× 100mm×1mm、100mm×100mm×2mm、100mm×100mm×3mm三種尺寸的試片。

激光焊接試片制備：為保證焊接的可行性與數(shù)據(jù)的可對比性，將試樣裁剪為100mm×33mm×2mm的試片做激光焊接使用。制備過程中，透光層材料與吸光層材料試片的加工方式、工藝均相同，裁剪式樣的尺寸均相同。

1.3 材料試驗(yàn)

材料透光率測試：采用透光率檢測儀對1mm、2mm、3mm厚度的激光透過材料試片進(jìn)行透光率測試，試片放置在940nm激光光源上方，利用設(shè)備相機(jī)拍照捕捉透過光量的形式獲得PA66-GF30材料的透光率，通過多點(diǎn)測試計(jì)算平均值的方式得到7家供應(yīng)商透光材料的激光透光率。依次記錄S1A、S2A、S3A（NC）、S4A（NC）、S5A、S6A、S7A的數(shù)據(jù)，設(shè)備測量數(shù)值精確至個(gè)位。

表1 透光率測試設(shè)備參數(shù)

激光焊接測試：裁剪好的試片采用搭接的方式進(jìn)行焊接，焊接數(shù)量為1道，焊縫長為30 mm，焊縫寬為2.8 mm，每組材料焊接5個(gè)式樣。

表2 激光焊接設(shè)備參數(shù)

圖2 焊接區(qū)域示意圖

表3 試驗(yàn)材料及焊接試樣

焊接拉拔測試：焊接后的式樣用萬能拉力機(jī)進(jìn)行焊接界面強(qiáng)度測試，拉伸速度統(tǒng)一定為50 mm/min，判定形式為焊接面開裂或者材料斷裂。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同厚度PA66-GF30的透光率

分別對S1A、S3A（NC）、S4A（NC）、S7A四家供應(yīng)商1mm、2mm、3mm的PA66-GF30進(jìn)行透光率測試。通過測試得知，相同30份玻纖含量填充的PA66，隨著厚度的增加材料透光率呈現(xiàn)下降趨勢。每組測試值為五個(gè)部位的平均值，注塑過程中部分材料由于玻纖聚集會(huì)導(dǎo)致式樣不均勻的現(xiàn)象，測試的透光率數(shù)據(jù)會(huì)有±2的偏差。

圖3 PA66-GF30透光率隨厚度的變化

2.2 相同厚度PA66-GF30的透光率

分別對S1A、S2A、S3A（NC）、S4A（NC）、S5A、S6A、S7A七家供應(yīng)商2mm的PA66-GF30進(jìn)行透光率測試。通過測試得知，相同玻纖含量、相同厚度（2mm）的PA66-GF30，本色材料的透光率要高于黑色透光材料。

各家黑色透光料由于自身配方及改性方式的不同，呈現(xiàn)出的透光率相差較大。目前，部分廠家的黑色透光PA66-GF30通過改性，其透光率已趨近于本色料。高的透光率是否有利于激光焊接，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。圖4中黑色為黑色透光料的透光率，灰色為本色材料的透光率。

圖4 相同厚度（2mm）PA66-GF30的透光率分布

2.3 透光率與焊接強(qiáng)度的關(guān)系

利用激光焊接設(shè)備對裁剪好的透光式樣及其對應(yīng)的吸光試樣進(jìn)行焊接，得到焊接后的試樣依次為S1AB、S2AB、S3AB（NC）、S4AB（NC）、S5AB、S6AB、S7AB，通過萬能拉伸機(jī)對焊接試樣進(jìn)行拉伸，記錄斷裂形式并計(jì)算每種式樣的拉拔力平均值F。

拉拔后的式樣通過力矩F與焊接面積S的比值得到焊接強(qiáng)度σ，S=B×L，計(jì)算焊接強(qiáng)度的公式可表示為：

（1）式中，σ代表焊接強(qiáng)度，F(xiàn)拉是焊接面開裂或材料斷裂的最大拉力，L代表焊縫的長度，B代表焊縫的寬度。焊縫寬度由光斑直徑?jīng)Q定，焊縫長度由焊接速度與焊接時(shí)間決定，與拉拔后測量值相差不大，焊縫寬度2.8 mm，焊縫長度30 mm。

拉伸測試過程中得到，本色透光與黑色吸光材料的焊接強(qiáng)度要高于黑色透光與黑色吸光材料的焊接強(qiáng)度，本色與黑色材料的焊接拉伸多為材料自身斷裂，黑色與黑色材料的焊接拉伸均為焊接面開裂。其中，S7A與S7B在激光焊接時(shí)出現(xiàn)焊接失敗的現(xiàn)象，經(jīng)咨詢，S7B式樣材料為非炭黑填充改性的PA66-GF30，其不具備吸收激光的特性，故S7A與S7B不能進(jìn)行激光焊接。

表4 不同供應(yīng)商PA66-GF30的焊接強(qiáng)度與斷裂形式

圖6 焊接面開裂試樣

為更好的驗(yàn)證材料透光率與焊接強(qiáng)度的關(guān)系，對透光率與焊接強(qiáng)度作圖，試樣透光率從低到高進(jìn)行排列。

圖7 材料透光率與焊接強(qiáng)度的關(guān)系

對比可知，隨著材料透光率的提升，焊接強(qiáng)度逐漸升高，但非線性增長。由于材料供應(yīng)商自身改性的多樣性，以及后期在制樣過程中因裁剪尺寸、焊接夾持位置等因素的影響，出現(xiàn)S2AB透光率高于S6AB的情況下，焊接強(qiáng)度反而下降的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）對于玻纖填充的PA66-GF30，隨著厚度的增加，其透光率逐漸減小。在工業(yè)生產(chǎn)中，保證零部件強(qiáng)度的提前下，控制好焊接面厚度；

（2）同種厚度的PA66-GF30，由于各家供應(yīng)商自身改性的差異，其透光率相差較大，本色材料的透光率普遍高于黑色材料，部分廠家改性的黑色透光材料已趨近于本色材料；

（3）PA66-GF30材料焊接強(qiáng)度隨著透光率的增大而逐漸增大，本色與黑色材料的焊接強(qiáng)度要高于黑色與黑色材料的焊接，本色與黑色材料焊接部分發(fā)生材料斷裂，黑色與黑色材料焊接均為焊接面開裂。

[1] 葉少勇,柴海博,龍杰明,姜蘇俊.成核劑和PA66對可激光焊接PA6T/6I增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響[J].塑料工業(yè),2019,47(04):147- 151.

[2] Liu H, Jiang Y, Tan W, et al. Enhancement of the laser transmission weldability between polyethylene and polyoxymethylene by plasma surface treatment[J]. Materials, 2018, 11(1): 29.

[3] 劉偉,孟冬冬,范彩連,李品,蔡野,伍彥偉,劉會(huì)霞.激光透射焊接尼龍66光學(xué)屬性研究[J].激光技術(shù),2016,40(05):716-721.

[4] 郭德暉.POM在激光透射焊接中的熱降解行為研究[D].蘇州:江蘇大學(xué), 2016.

[5] Liu H, Jiang H, Guo D, et al. Study on welding mechanism based on modification of polypropylene for improving the laser transmission weldability to PA66[J].Materials, 2015,8(8):4961-4977.

[6] 鐘歡歡.高透光性黑色塑料制備及其激光焊接性能研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[7] 程亞婷.激光透射焊接塑料強(qiáng)度測試方法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].長春:吉林大學(xué),2014.

[8] 沈璇璇.熱塑性塑料激光透射焊接的實(shí)驗(yàn)研究和溫度場模擬[D].蘇州:蘇州大學(xué),2011.

[9] 杭爭翔,唱麗麗,甘洪巖,徐國建.激光焊接塑料的原理及特性[J].焊接技術(shù),2010,39(08):4-9+1.

[10] Chen M, Zak G, Bates P J. Effect of carbon black on light transmis -sion in laser welding of thermoplastics[J].Journal of Materials Pro -cessing Technology,2011,211(1):43-47.

[11] 陳志,張婉清,顏昭君.塑料激光透射焊接技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢[J].應(yīng)用激光,2020,40(03):556-563.

[12] Chabert F, Garnier C, Sangleboeuf J, et al. Transmission Laser Weld -ing of Polyamides: Effect of Process Parameter and Material Pro -perties on the Weld Strength[J]. Procedia Manufacturing,2020,47: 962-968.

[13] 邵丹,胡兵,鄭啟光.激光先進(jìn)制造技術(shù)與設(shè)備集成[M].北京:科學(xué)出版社,2009:177-185.

Effect of PA66-GF30 Transmittance on Laser Transmission Welding Properties

Yue Guicheng, Gao Jianfeng, Yang Jianfeng, Liu Chunning

（Shanghai Chinaust Automotive Plastics Corp., Ltd, Shanghai 201708）

To make transmittance test of PA66-GF30 with natural and black color in same and different thickness, and drawing test to welding samples. The paper analyzing the effect of transmittance for different thickness,and the effect of welding strength for same thickness and different colors. The results show that the transmittance decreases with the thickness increasing, and the welding strengths increase as the transmittance increases in same thickness. Meanwhile, the welding strength of PA66-GF30 in natural color with black is higher than that between black and black.

PA66-GF30; Laser transmission welding; Transmittance; Welding strength

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.041

TG44

A

1671-7988(2021)07-129-04

TG44

A

1671-7988(2021)07-129-04

岳貴成（1990-），男，非金屬材料工程師，主要從事車用非金屬材料的應(yīng)用開發(fā)及研究。