热塑性塑料激光穿透焊接技术的研究

焦俊科，江桦锐，张文武

（1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江宁波 315201；2.广州中国科学院工业技术研究院，广东广州 511458）

热塑性塑料以其优越的性能在汽车、电子、医疗等领域被广泛使用。同时，现代工业对塑料焊接的强度、精度、洁净度、美观度等都提出了更高的要求。近年来，采用激光对热塑料进行焊接成为研究的热点，国外众多学术研究机构对塑料的激光焊接理论、焊接工艺、激光微焊接等方面进行了深入广泛的研究，为塑料激光焊接技术的发展与工业推广奠定了基础。从21 世纪初开始，国内的一些科研机构对塑料激光焊接技术进行了研究[1-7]，主要集中在单一的焊接工艺或数值模拟上，无论是理论分析还是工艺研究等方面都与国外存在一定的差距。

本文对PMMA 材料的激光焊接技术进行系统的分析，在充分考虑穿透层与吸收层激光吸收的基础上建立数学模型，利用ANSYS 对焊接温度场和应力场进行了计算分析，从理论上找到了焊接参数对焊缝的影响规律。同时进行了PMMA 焊接的实验研究，对焊接时出现的物理现象进行了分析，找到了最佳焊接工艺参数，实现了良好的焊接封装。

1 理论模型

1.1 传热数学模型

热塑性塑料激光穿透焊接过程中，90 %以上的能量穿过穿透层被吸收层吸收。为简化数学模型，一般都是把激光热源作为面热源来处理[8-10]，但这与实际情况有些出入。为了使数学模型更贴近实际，本文把穿透层内的激光作为体热源处理，而到达吸收层的激光作为面热源来处理，在此基础上，建立了热塑性塑料激光穿透焊的数学模型：

式中：ρ、c、k 分别为塑料的密度、比热、热传导系数；q 为塑料内体热源的生热率；T和t 分别为温度和时间；R 为塑料表面对激光的反射率；α 为吸收系数；P为激光功率；r 为光斑半径；z0为塑料板厚度。

其他表面满足对流的边界条件：

式中：h 为表面热对流系数；T0为环境温度，也是塑料的初始温度；Tn为塑料表面的温度。

塑料激光穿透焊接的热量分布及传递见图1。在穿透层，一部分激光能量在塑料内部传输过程中被吸收并转换为热量，以内部生热率的形式加载给塑料，该部分的激光能量符合Lambert 定律。在吸收层，穿过上层的激光被涂在吸收层表面的吸收剂完全吸收，转化为热量并以热传导的形式迅速向上下层塑料扩散，使其熔化。

图1 热塑性塑料激光穿透焊接示意图

1.2 热应力数学模型

热塑性塑料激光穿透焊接过程中，激光能量被吸收层吸收，产生的热量通过热传导的方式向吸收层和穿透层内部传输。热量传递过程中，材料内部的温度分布是不均匀的，由于各处的温度不同，每一部分因受到不同温度的相邻部分的影响，不能自由伸缩，就会产生热应力。热应力方程为：

式中：σi（i=x，y，z）为正应力；γij为剪应变；τij为剪应力；Δt 为温度改变量；β 为材料的膨胀系数；E 为杨氏模量（拉压弹性模量）；υ 为泊松比；G 为剪切弹性模量。

2 数值分析

本文使用ANSYS 对PMMA 激光穿透焊接过程中的温度场和应力场进行计算分析。两块长、宽、厚分别为40、20、3 mm 的PMMA 板搭接在一起进行穿透焊接，有限元模型单元为8 节点6 自由度的三维实体单元solid70，单元大小为0.6 mm×0.6 mm。另外，计算中用到的PMMA 物理特性见表1。

表1 PMMA 的物理特性参数

焊接时选用的激光参数为：P=50 W，r=2 mm，v=10 mm/s。焊接过程中，一部分激光能量以体热源生热率的形式被穿透层吸收，形成一个沿深度方向分布的温度场，温度最高达65 ℃左右。而在吸收层，穿过穿透层的激光在表面被完全吸收，产生大量的热量，这些热量以热传导的形式向上下两层塑料内部传递，最终形成一个高斯分布的温度场（图2）。图3 是焊接过程中的温度和热应力分布云图，在穿透层与吸收层的接触面附近，最高温度达到400 ℃，远高于PMMA 的熔化温度，能够实现焊接。

图2 焊接温度场分布

图3 温度及应力分布

在对亚克力板进行激光穿透焊接过程中，会伴随着热应力的产生，热应力的大小和分布同样会影响焊接质量。在吸收层表面上选取一点a，分析其温度和热应力随时间变化的趋势。从图4 可看出，该点的温度和热应力变化大致经过以下3 个过程：

（1）激光来临前，该点的温度基本上处于常温状态，拉应力逐步增加。

（2）激光到来后，由于高能量密度的激光作用，使该点的温度急剧上升达到最高值400 ℃，材料在高温下膨胀，产生较大的压应力。

图4 扫描路径上a点温度、热应力随时间的变化趋势

（3）激光从该点移走后，热量在热传导的作用下逐步向塑料内部传递，温度缓慢降低，直至焊接完成到常温状态。在这个冷却过程中，压应力逐步转化为拉应力。

在焊接过程中，压应力一般不会对焊接效果产生影响，但拉应力的存在可能导致焊缝产生裂纹。从图4 可看出，拉应力的最大值也只有0.0025 MPa，远小于亚克力板的破坏应力。因此，在该组焊接参数下，热应力对焊接质量的影响几乎可忽略。

焊接过程中，激光参数及焊接速度对焊接质量的影响非常大。通过对不同参数的焊接情况仿真分析，得到以下影响规律：

（1）焊缝宽度受光斑半径和单位时间、单位面积吸收的激光能量的共同影响。在光斑半径不变的情况下，单位时间、单位面积吸收的能量越高，焊缝宽度越大；在单位时间、单位面积吸收的能量不变的情况下，光斑半径越大，焊缝宽度越大。

（2）焊接深度只受单位时间、单位面积吸收的激光能量的影响。单位时间、单位面积吸收的激光能量越高，焊接深度越大，焊接强度也越大。

3 实验分析

PMMA 激光穿透焊接实验在光纤激光加工系统上进行。系统由光纤激光器、六轴机器人、气流系统、中央控制系统及自主开发的软件系统构成（图5），能进行多种金属、非金属材料的平面、三维切割和焊接。为方便实验，设计制作了塑料焊接二维工装系统，能对焊接时的夹具压力进行实时调节。

图5 光纤激光加工系统及控制界面

焊接时，把待焊接的塑料工件放进气动夹具装置里，通过调节气压来调节夹具的压力，夹紧塑料焊件，而后启动光纤激光加工系统。激光焊接头固定在机器手的末端，通过中央控制系统控制机器手按照既定路径进行焊接，焊接参数通过人机交互界面进行设置，并写入数据库。实验原理见图6。

图6 塑料焊接实验原理图

焊接过程中，较高的激光功率密度导致塑料熔化，会产生一些气泡和烟雾，并沿着与焊接方向相反的熔化路径排出，在焊缝上留下一条排气通道（图7a），一定程度上影响了焊接强度。排气通道的大小与焊接时产生气雾的多少有关，激光能量密度越大，焊接时熔化产生的气雾越多，排气通道越大，对焊接质量的影响也越大。因此，焊接时应选择合适的能量密度，在保证焊接深度的同时，尽量减少产生的气雾量。另外，如果焊接过程中产生的气雾不能有效地排出，则在焊缝周边会形成大量的气泡（图7b），同样影响焊接强度。

图7 PMMA 激光穿透焊接

通过实验能找到焊接参数对焊接时气雾量的影响规律。通常，在其他两个参数不变的情况下，光斑半径越小，焊缝材料的熔化深度和熔化量越大，气雾量也越大；激光功率越大，熔化量越大，气雾量也越大；焊接速度越慢，熔化量越大，气雾量也越大。利用这个规律，针对3 mm 厚的PMMA 材料的焊接，找到了一组最佳焊接参数：r=1.2 mm，P=30 W，v=10 mm/s，并进行了PMMA 的封装实验（图8）。

图8 PMMA 封装焊接样品

4 总结

（1）对塑料穿透焊接的传热过程进行了分析，在考虑穿透层的体热源和吸收层的面热源的情况下，建立了传热数学模型和有限元模型，利用有限元法对焊接过程中的温度场进行了计算分析，找到了焊接参数对焊缝的影响规律。

（2）在多功能光纤激光加工平台上进行PMMA的激光穿透焊接实验，研究分析了焊接过程中的物理现象，找到了焊接强度与焊缝材料的熔化量及气雾量的大小的关系，以及熔化量、气雾量与焊接参数之间的关系。

（3）在理论计算的指导下，通过实验研究，找到了焊接参数对焊接质量影响的一般规律，并针对厚度为3 mm 的PMMA 材料，找到了最佳焊接参数，实现了焊接封装。

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