GFREP和PA66CF30激光透射連接工藝研究

黃滔 顧杰 陳寒松 王霄

(江蘇大學機械工程學院,江蘇 鎮江,212013)

激光透射連接技術精度高,廣泛應用于熱塑性聚合物與金屬之間的連接[1-9]。熱固性與熱塑性聚合物之間激光透射連接工藝的相關研究極少,限制了其應用。熱固性材料具有獨特的分子結構,加熱后不會熔融,具備與其他熱塑性材料進行激光透射連接的可能性。A mend P 等[10]成功對玻璃纖維增強環氧樹脂(GFREP)與聚碳酸酯(PC)進行了激光透射連接,其中,上層透光材料為GFREP,下層吸光材料為添加了炭黑的PC。由于相關研究極少,對熱固性與熱塑性聚合物連接機理的揭示尚未形成完整體系。

下面運用激光透射連接技術,實現了GFREP與碳纖維增強尼龍66(PA66CF30)的連接,探究了工藝參數對接頭強度的影響,并揭示了兩者的連接機理。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

GFREP,3240,東莞市泉盛塑膠材料有限公司;PA66CF30,AC6,南京聚隆科技股份有限公司;無水乙醇,質量分數不小于99.7%,濟南鑫沃化工有限公司。

超聲波清洗機,JP-020S,深圳市潔盟清洗設備有限公司;納秒脈沖激光器,K20-CS,最高功率20 W,光斑直徑30μm,脈寬100 ns,頻率20 k Hz,波長1 064 nm,深圳大族激光科技股份有限公司;電子萬能試驗機,UTM4104,深圳三思縱橫科技股份有限公司;超景深三維顯微鏡(VHX),VHX-1000,日本基恩士公司;接觸角測量儀,XG-CAMB JC2000D,上海軒輊機電設備有限公司。

1.2 樣品制備

將GFREP放置于PA66CF30上面,使用夾緊裝置對連接接頭施加1 MPa的預緊力,采用搭接焊的方式進行連接,搭接面積為20 mm×30 mm,激光束透過GFREP 到達接頭連接處,熱量積累,PA66CF30 開始熔化,冷卻后與GFREP 實現連接。圖1為GFREP 和PA66CF30的激光透射連接示意。

圖1 GFREP與PA66CF30激光透射連接示意

1.3 測試與表征

VHX 觀察:將樣品置于環氧樹脂溶液中制樣,磨樣后觀測橫截面形貌。

拉伸性能測試按照GB/T 2651—2008 進行,拉伸速率為2 mm/min。

2 結果與討論

2.1 接頭拉伸結果

圖2為接頭拉伸失效示意。

圖2 接頭拉伸失效示意

由圖2 可以看出,剝離后的GFREP 表面有PA66CF30的組織殘留,屬于連接界面失效,說明接頭強度遠小于PA66CF30的抗拉強度。

2.2 接頭強度影響因素

2.2.1 激光功率

固定離焦量為0,連接速率為40 mm/s,激光功率對GFREP 和PA66CF30接頭強度的影響如圖3所示,其中,激光功率為10.5,19.5,1.5 W的接頭分別記為J-1,J-2,J-3。

圖3 激光功率對GFREP和PA66CF30接頭強度的影響

由圖3 可以看出:隨著激光功率的增大,GFREP和PA66CF30接頭強度先升高后降低,當激光功率為10.5 W 時達到最大,為460.91 N。這是因為當激光功率較小時,激光束穿過GFREP傳遞到PA66CF30 的熱量較少,PA66CF30 未充分熔化,導致接頭強度不高;隨著激光功率的增大,PA66CF30熔化逐漸充分并浸潤GFREP 表面的細微凹坑,形成機械錨固結構,導致接頭強度升高;當激光功率超過10.5 W 時,接頭處積累大量熱量,PA66CF30發生熱分解,產生大氣泡,導致接頭強度降低。

2.2.2 連接速率

固定離焦量為0,激光功率為10.5 W,連接速率對GFREP和PA66CF30接頭強度的影響如圖4所示,其中連接速率為30,50 mm/s的接頭分別記為J-4,J-5。

圖4 連接速率對GFREP和PA66CF30接頭強度的影響

由圖4 可以看出:隨著連接速率的增大,GFREP和PA66CF30接頭強度先升高后降低,當連接速率為40 mm/s時達到最大,為460.91 N。這是因為當連接速率為20 mm/s時,接頭處積累大量熱量,PA66CF30發生熱分解,產生大氣泡,導致接頭強度降低;隨著連接速率的增大,接頭處積累的熱量減少,PA66CF30的熱分解對接頭強度的影響減小,導致接頭強度升高;當連接速率超過40 mm/s時,接頭處積累的熱量太少,PA66CF30熔化不充分,導致接頭強度降低。

2.2.3 離焦量

固定激光功率為10.5 W,連接速率為40 mm/s,離焦量對GFREP和PA66CF30接頭強度的影響如圖5所示。

圖5 離焦量對GFREP和PA66CF30接頭強度的影響

由圖5可以看出:隨著離焦量的增大,GFREP和PA66CF30接頭強度先升高后快速降低,當離焦量為0時達到最大,為460.91 N。這是因為當離焦量為負時,光斑直徑偏大,接頭處積累的熱量太少,PA66CF30熔化不充分,導致接頭強度不高;隨著離焦量的增大,接頭處積累的熱量增多,PA66CF30充分熔化,導致接頭強度升高;當離焦量為正時,激光束的光斑聚焦在GFREP 內部,接頭處積累的熱量大幅減少,PA66CF30 熔化不充分,導致接頭強度降低。

2.3 VHX分析

圖6為接頭橫截面的VHX 形貌。

圖6 接頭橫截面的VHX形貌(×600)

由圖6可以看出:當離焦量為0、連接速率為40 mm/s、激光功率為10.5 W 時,接頭(J-1)熔池內部形成細小均勻的氣泡,同時,熔化的PA66CF30充分浸潤GFREP表面的細微凹坑中,形成機械錨固結構,接頭強度較大;當激光功率過大或連接速率過小時,接頭(J-2和J-4)熔池內部產生較大且不均勻的氣泡,接頭強度較低;當激光功率過小或連接速率過大時,接頭(J-3和J-5)熔池內部無明顯氣泡產生,接頭強度較低。綜上分析,熔池內部細小均勻的氣泡有利于提高接頭強度,熔池內部大而不均勻的氣泡或者無氣泡會降低接頭強度,與相關研究結果一致[11-13]。

2.4 接觸角分析

分別測試了水和乙二醇在 GFREP 和PA66CF30 表面的接觸角。結果發現,水在GFREP和PA66CF30表面的接觸角分別為66.5°和60.7°,乙二醇在兩者表面的接觸角分別為47.0°和51.2°。

表面能(γ)由非極性部分(γD)和極性部分(γP)構成,γP越大,分子間的范德華力越大[14-15]。γD和γP的計算公式如下:

式(1)中:γl為液體的表面能;θ為液體的接觸角和分別為液體γ的非極性部分和極性部分和分別為材料γ的非極性部分和極性部分。

計算結果如表1所示。

表1 樣品γ 的計算結果m N/m

由表1可以看出:PA66CF30的γ和γP均較大,說明PA66CF30為極性材料,容易與其他材料在分子間形成范德華力;GFREP 的γP也較大,說明GFREP表面活性高,與PA66CF30之間存在較強的范德華力,表現出較高的接頭強度[16-18]。

3 結論

a) 隨著連接速率、離焦量及激光功率的增大,PA66CF30和GFREP的接頭強度均呈現出先升高后降低的趨勢;當連接速率為40 mm/s、離焦量為0、激光功率為10.5 W 時,接頭強度達到最大,為460.91 N。

b) 機械錨固效應、分子間范德華力以及熔池內部細小均勻氣泡是PA66CF30和GFREP 激光透射連接的主要機理。

c) 當激光功率過大或連接速率過小時,接頭處積累的熱量過多,PA66CF30發生熱分解,產生大而不均勻的氣泡,導致PA66CF30和GFREP的接頭強度不高。