異種透明塑料焊接機理及焊縫特征研究

張 杰，李永崗，王桂剛

(青島愛爾家佳新材料股份有限公司，山東 青島 266000)

激光透射焊接(LTW)技術是一種新型的無接觸綠色塑料焊接方式，具有焊接速度高、熱影響區小、連接強度高、焊縫變形小等優點。相比于摩擦焊[1-2]、超聲波焊[3-4]和振動焊[5]等，LTW技術具有易于實現自動化、適用復雜結構特征零部件成型、精度高、焊縫清潔無雜質等優點[6-7]。但是透明塑料對近紅外短波長激光具有弱吸收的特征。國內外研究學者一方面探究新型無色染料吸收劑，同時開發具有體加熱特征的近紅外長波長激光，這兩種技術均可以實現透明塑料焊接，但是無法解決異種塑料相容性差的問題。

異種透明塑料的焊接可以將具有特殊優異性能的材料進行結合，實現兼具特殊功能零部件的制備，在高端醫療裝備和精密光學傳感器領域具有廣泛的應用[8]。但是受限于異種塑料分子量、分子鏈結構和凝聚態特征等物理性質差異，異種塑料焊接接頭存在嚴重的界面相容性差、分子鏈相互擴散深度淺的問題，進而導致焊接接頭強度偏低[9]。

金屬類激光吸收劑具有導熱率高、穩定性好的優勢，作為激光吸收劑不僅能夠實現將激光攜帶的電磁能轉化為熱能，而且能夠在焊接接頭處生成特殊的連接結構，從而解決異種塑料相容性差導致的焊接強度低問題。本文以低熔點鎂鋅合金(MZA)粉末為激光吸收劑，實現異種透明塑料聚芳砜(PASF)和聚碳酸酯(PC)的焊接；通過微觀形貌表征，驗證焊接機理；在射線追蹤探究激光與MZA粉末相互作用過程的基礎上開展粉末特征對焊接效果影響的研究。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

透明塑料PASF和PC是由瑜欣塑料有限公司提供，樣件為長度 120 mm、寬度 30 mm、厚度 2 mm的薄片。為了避免樣件表面的污垢及雜質對焊接效果的影響，酒精清洗后，超聲處理 10 min；為了避免水分對焊接效果的影響，清洗之后的樣件放在溫度為 60 ℃ 的烘干箱中干燥 12 h，自然冷卻至室溫后進行實驗。

球形鎂鋅合金(MZA)粉末(純度99%)是由長沙天九有限公司提供，為避免團聚現象的發生，并保證粒徑具有良好分散分布特征，使用型號為QM-3SP4的球磨機預處理 3 h，之后將處理過的金屬粉末放在溫度為 80 ℃ 的烘干箱中干燥 8 h，自然冷卻至室溫后通過自行設計的熱壓固粉裝置進行熱壓固粉。

1.2 實驗方法及表征

實驗過程是由熱壓固粉和激光透射焊接兩部分組成。壓粉裝置及過程如圖1(a)所示。過程為：將MZA粉末，填充在壓頭與隔熱板之間的間隙中，然后將PC板放置在壓板與隔熱板之間，對壓板施加恒定的壓力(35 N)。停留一段時間(8 min)之后，填充在隔熱板與壓頭之間的金屬粉末被嵌入PC板內部。取出PC板，熱壓固粉過程完成。激光透射焊接過程如圖1(b)所示。過程為：激光透過PASF層，作用在MZA粉末層，產生的熱量以熱傳導的形式向周圍擴散，促進PASF和PC的熔融，熔融塑料冷卻之后形成穩定接頭。

圖1 熱壓固粉過程(a)和激光透射焊接過程(b)示意圖

焊接設備為蘇州長光華芯光電技術股份有限公司生產的型號為EB-DDLM 100A的半導體激光器，設備參數如表1。

表1 激光器的設備參數

使用計算機斷層掃描(μ-CT)對焊接件接頭形貌進行分析。焊接件的拉伸性能測試在型號為WDW-200E的微電子拉力機上完成的。對PASF/PC焊接件接頭進行切割、拋光后，通過掃描電子顯微鏡(SEM)和光學顯微鏡(OM)對焊縫形貌進行觀察。焊接件拉斷之后，通過X射線光電子能譜(XPS)分析儀對焊接區域進行元素掃描。

1.3 射線追蹤

激光-MZA粉末相互作用的研究通過光學仿真軟件TracePro完成。仿真過程中金屬粉末材料設置為金屬鎂，光源設置為半徑為 10 mm 的圓，圓內射線數目為30，每條射線的能量通量為 1 W，激光能量為均勻分布，波長為 980 nm。

1.4 實驗方案

在預實驗的基礎上，焊接過程中的激光線能量密度為 4.67 J/mm，夾緊力為 0.6 MPa、金屬粉末特征如表2所示。

表2 MZA粉末層分布特征

2 結果與討論

2.1 焊接機理分析

2.1.1 激光-MZA粉末相互作用過程

激光作用于金屬粉末層時，粉末層對激光的吸收不僅受到激光作用波長、粉末溫度、入射光偏振態、激光入射角和粉末表面狀態的影響，還受到粉末層特征的影響[10]。粉末顆粒間的間隙，導致激光具有更強的復合反射和穿透能力，因此增強了激光與粉末層的相互作用[11]。Fischer等[12]人的研究表明，激光在金屬塊中的滲透深度小于在金屬粉末中的滲透深度。射線追蹤法可以追蹤激光在材料內部的運動路徑，實現對激光與材料相互作用過程研究[13- 14]。當激光垂直作用在金屬粉末層上時，發生復雜的相互作用。在局部放大圖(圖2)中看到：在激光透過金屬粉末層的過程中，一部分激光被反射，另一部分被吸收、散射，并沿著金屬顆粒之間的間隙向前傳播。在此過程中，金屬粉末的表面結構和粉末層的孔隙率對激光吸收率有顯著影響。

圖2 激光透過金屬粉末層過程中的復合反射行為

2.1.2 焊接接頭特征

以粒徑為 48 μm 的MZA粉末，在粉末層寬度為 3 mm、粉末層厚度為 0.08 mm 條件下進行熱壓固粉。PC壓粉件以及壓粉之后與PASF的焊接件如圖3(a)所示。

圖3 樣件宏觀形貌(a)，μ-CT得到的焊縫整體形貌(b)，焊縫指定位置斷面形貌(c)

為了更加全面、直觀的得到MZA粉末在焊接接頭的內部的結構特征及分布情況，使用μ-CT對焊接接頭進行掃描，結果如圖3(b)所示(MZA粉末熔合在一起，形成一個熔合體)。值得注意的是，連續體的表面并不光滑，存在大量的間隙和不規則的起伏特征。因此可以判斷，在接頭上，PASF和PC基體與具有間隙和起伏特征的MZA熔合體結合、相互穿插，形成相互滲透的“釘扎”結構。嵌接在PASF和PC界面上的“釘扎”結構有助于提高焊接件的機械性能[15]。為了驗證MZA粉末嵌接在PASF和PC界面上，在圖3(b)的三個指定位置(P1、P2和P3)上進行切片分析，結果如圖3(c)所示(亮白色的MZA粉末嵌接在PASF和PC界面上，形成穩定接頭)。

焊接件拉斷后，對焊接區域上的化學元素成分分析。圖4(a)為元素全譜圖，圖4(b)和(c)分別為C1s峰和Mg1s峰精細譜圖。在結合能為 685.7 eV、1021.8 eV 和 1303.3 eV 的位置處分別出現了F、Zn和Mg三種元素。F元素的存在是由于PASF/PC焊接件在拉斷的過程中部分PASF殘留在PC表面形成的；Zn和Mg是MZA粉末的主要成分，因此在元素全譜圖中可以看到Mg、Zn元素的存在。進一步對C1s和Mg1s峰精細譜圖進行分析，在圖4(b)中，結合能為 282.96 eV 的位置出現有金屬碳化物；圖4(c)中，存在Mg—F鍵(結合能為 1306.5 eV、1304.95 eV)和Mg—O鍵(結合能 1303.90 eV)。因此根據XPS分析結果得到：以MZA粉末為吸收劑的PASF/PC焊接過程中，MZA粉末與塑料基體發生化學反應形成新的化學鍵，在焊接接頭處產生化學鍵合。

圖4 焊接區域的化學元素全譜圖(a)、C1s峰精細譜圖(b)和Mg1s峰精細譜圖(c)

2.2 粉末粒徑的影響

圖5(a)為在粉末層寬度 3 mm、粉末層厚度為 0.08 mm 條件下，MZA粉末粒徑對PASF/PC焊接件剪切強度的影響。從圖5中看出，隨著粉末粒徑的增加，PASF/PC焊接件的剪切強度逐漸增大，當MZA粉末粒徑為 48 μm 時，剪切強度達到 9.32 MPa。進一步通過SEM對焊接接頭的微觀形貌進行分析，如圖5(b)所示。由圖5(b)看出，在MZA粉末粒徑為 10 μm 的條件下，大部分MZA粉末保持其原始形態，表明MZA粉末之間沒有熔合，焊接接頭上不存在機械鉚接結構。當MZA粉末粒徑為 30 μm 時，圖5(c)中紅色的點劃線突出顯示了在接頭界面上存在MZA粉末熔合過程中產生的熔合線，而且熔合的MZA之間的間隙被塑料基體填充。這說明熔合的MZA在PASF/PC焊接件接頭內形成“釘扎”點，有利于提高焊接件的剪切強度。當MZA粉末粒徑為 48 μm 時，焊接接頭上存在更大的MZA粉末熔合形成的“釘扎”點，因此焊接件具有更大的剪切強度。

圖5 粉末粒徑對焊接件剪切強度(a)和微觀形貌(b、c、d)的影響

2.3 粉末層寬度的影響

圖6(a)為MZA粉末粒徑為 48 μm、粉末層厚度為 0.08 mm 條件下，MZA粉末層寬度對PASF/PC焊接件剪切強度的影響。從圖6(a)中看出，隨著粉末層寬度的增加，PASF/PC焊接件的剪切強度先上升后下降，當MZA粉末層寬度為 3 mm 時，PASF/PC焊接件具有最大剪切強度。通過SEM對粉末層寬度為 2.5 mm、3 mm 和 3.5 mm 條件下制備的PASF/PC焊接件接頭微觀形貌觀察，在MZA粉末層寬度為 2.5 mm 的條件下(圖6(b))，焊接接頭處存在明顯的裂紋，這是由于過高的焊接溫度加劇焊接接頭處PASF、PC和MZA粉末之間物理性能差異，形成較大焊接應力導致的，裂紋的存在對焊接件物理性能產生不利的影響。當MZA粉末層寬度為 3 mm 時，熔合的MZA嵌接在塑料基體中，而且熔合的MZA之間的間隙被塑料基體填充(如圖6(c))。這說明熔合的MZA粉末可以作為PASF/PC焊接件接頭的“釘扎”結構點，從而提高焊接件的剪切強度。進一步增加MZA粉末層寬度，從圖6(d)中看到，塑料基體上有大量的氣孔，紅色虛線標注的區域中MZA粉末間存在細小的間隙，這可能是由于粉末層寬度的增加過程中伴隨著激光光斑中心功率密度的下降，因此焊接接頭處的溫度水平下降，這導致PASF/PC接頭處部分塑料基體的熔融不充分，塑料熔體未能完全將MZA粉末之間的間隙填充，形成孔隙。孔隙的存在增加了拉斷過程中裂紋產生的機率，因此焊接件的剪切強度出現下降。

圖6 粉末層寬度對焊接件剪切強度(a)和微觀形貌(b、c、d)的影響

2.4 粉末層厚度的影響

圖7(a)為在MZA粉末粒徑為 48 μm、粉末層寬度為 3 mm 條件下，MZA粉末層厚度對PASF/PC焊接件剪切強度的影響。從圖7(a)中看出，隨著粉末層厚度的增加，PASF/PC焊接件的剪切強度先上升后下降，當MZA粉末層厚度為 0.08 mm 時，PASF/PC焊接件具有最大剪切強度。這是由于粉末層厚度影響激光透過MZA粉末層過程中復合反射次數，進而導致不同的吸收特征，在焊接接頭形成不同的溫度水平，從而造成焊接效果的差異。通過SEM對粉末層厚度為 0.06 mm、0.08 mm 和 0.1 mm 條件下制備的PASF/PC焊接件接頭微觀形貌觀察。在MZA粉末層厚度為 0.06 mm 的條件下(圖7(b))，焊接接頭處MZA粉末層中存在尺寸較大的孔隙。孔隙的存在可能是由于MZA粉末層厚度較小，焊縫溫度較低，PASF和PC熔融不充分，因此MZA粉末之間的間隙未能完全填充，形成間隙。當MZA粉末層厚度為 0.08 mm 時(圖7(c))，MZA粉末層中有熔合的MZA，而且MZA粉末間的間隙完全被塑料基體填充。然而當粉末層厚度增加到 0.1 mm 時，在MZA粉末層的中心位置出現明顯缺陷(裂紋)，并且在MZA粉末層與塑料基體的邊界處存在氣孔(如圖7(d)所示)。MZA粉末層厚度的增加導致熔融PASF和PC在粉末層中穿插流動的阻力增加，MZA粉末不能完全被包裹，在焊接接頭形成裂紋；氣孔的存在是由于粉末層厚度的增加導致MZA粉末對激光吸收率的增加，進而產生較高的溫度水平，導致塑料熱降解產生氣體，并在MZA粉末層與塑料的結合處聚集而成。

3 結論

1) 激光與MZA粉末相互作用過程為復合反射行為，并沿著金屬顆粒的間隙向前傳播；2) MZA粉末在焊接接頭熔合形成具有粗糙結構特征的連續體，與塑料基體共同作用組成“釘扎”結構，同時塑料基體與MZA粉末產生化學鍵合有利于改善界面作用；3) 在MZA粉末粒徑為 48 μm、粉末層寬度為 3 mm、粉末層厚度為 0.08 mm 的條件下，PASF/PC焊接件具有最優的焊接效果。