激光技术在异种塑料材料焊接中的应用*

2014-03-26庞振华张庆茂梁锡辉

机电工程技术 2014年4期

庞振华，张卫，任豪，张庆茂，梁锡辉

（1.广州市光机电技术研究院，广东广州 510663；2.华南师范大学，广东广州 510006）

0 引言

高分子材料在尖端技术、国防建设和国民经济各个领域已经得到广泛的应用。而塑料作为高分子材料中最重要的一部分，以其优异的物理化学性能，在汽车、医疗设备及电子等行业得到了广泛的应用[1-2]。而且，许多零部件传统使用的材料也开始逐渐被塑料所代替。如汽车进气歧管[3]、生物芯片[4]等。

但是，随着塑料的广泛使用，对复杂塑料件的连接成为影响塑料件质量的重要因素。工程上比较常用的塑料连接方法主要有粘合剂连接、溶剂连接和热焊接等。传统的塑料连接方式存在很多不足之处[5-8]。

基于激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点，激光塑料焊接技术具有传统的焊接方法所不具备的优点[9-11]：焊缝尺寸精密、牢度、密封性好，焊件表面完好无损；树脂降解少，产生的碎屑少，由于激光的非接触特性，不产生污染；易于控制，可实现自动化操作，具有良好的适应性，可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件，焊接速度快；极大的减小了制品的震动应力和热应力，减慢了焊件的老化速度；激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工。

由于激光焊接在成本与性能方面巨大优势，在塑料制品的加工中，激光焊接已经成为一种新兴的更加快速、有效、环保的焊接方式。

1 激光塑料焊接的基本原理与方法

激光焊接塑料的原理又称为激光透射焊接，其先决条件就是两零件之一能够透过激光，而另一个零件必须能吸收激光，如图1所示[12]。在焊接过程中，将激光器产生的光束聚焦于待焊接区域，激光束透过一个零件，然后在两零件接触面被另一个零件吸收，形成热作用区；在热作用区中的塑料被融化，热熔状态下的塑料大分子在焊接压力的作用下互相扩散，产生范德华力，从而紧密地连接在一起，这样已熔化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来。

图1 激光透射焊接基本原理示意图

根据激光器随塑料零件移动方式和扫描方式的不同，目前研究可把激光塑料焊接方法分成以下七种类型[13]：轮廓焊接、同步焊接、准同步焊接、掩膜焊接、放射状焊接、衍射焊接和Globe焊接，如图2所示。

图2 激光塑料焊接方法示意图

2 实验过程

2.1 实验设备

实验中采用Violino-3系列全风冷端泵浦半导体激光器，如图3所示。其主要的技术参数为：波长1 064 nm；标称功率20 W±5%；峰值功率116 kW；脉冲宽度6 ns；频率宽度20～200 kHz；光束质量M2＜2；功率稳定度＜±1%rms。

图3 Violino-3系列全风冷端泵浦半导体激光器

2.2 实验材料

目前激光塑料焊接主要在汽车、电器以及医疗领域中的应用最为广泛。针对这些领域，本实验选取了透明PC(聚碳酸酯)、乳白色ABS(丙烯晴─丁二烯─苯乙烯共聚合物)以及黑色POM(聚甲醛)等材料进行焊接工艺的研究，制作的焊接材料的尺寸如表1所示，其中吸光材料中心钻Φ13的孔，以便于对制作的焊接试件进行推力测试。焊接材料薄片如图4所示。

表1 焊接材料尺寸

2.3 材料透光率的测定

基于激光透射焊接的机理，本实验首先测定所用材料对1 064 nm波段近红外激光的透过率。实验结果如表2所示。依据测试结果，将PC材料作为焊接试件的透过层（上层），将ABS和POM材料作为焊接试件的吸收层（下层），组合搭配成PC/ABS和PC/POM两组，分别进行激光透射焊接焊接实验。

图4 焊接材料薄片

2.4 激光焊接参数

根据王霄[14]等人的研究结果，激光塑料焊接共有6个影响因素，根据本次实验的条件及目的，采用了如表3、4所示的焊接工艺进行研究。

表2 实验材料透过率

表3 PC/ABS焊接工艺参数

其他未标注的参数为：激光功率8 W；激光频率30 kHz；夹具夹紧力500 N；光斑半径0.2 mm；焊后保压时间15 s。

表4 PC/POM焊接工艺参数

其他未标注参数为：夹具夹紧力400 N；光斑半径0.07 mm；焊后保压时间20 s。

2.5 推力试验测试

将焊接试件在LX-8802D微电脑推力试验机上进行推力测试。如图5所示，在载物台上将焊接试件悬空垫起来，使推力传感器上的推杆穿过吸光材料上的圆孔后，将推力施加在透光材料上，直至将两层焊接在一起的材料分离开，从而测试出推力的大小，用来评估焊接试件的牢固程度。

图5 LX-8802D推力试验机

3 实验结果与讨论

3.1 外观质量的观察

一个样品的焊接质量好，不仅要求它的焊接强度高，而且对它的外观质量也应该有较高的要求。从而可以更好地满足工业应用。本实验对样品的外观照片进行了对比，如图6、7所示。

结果显示，透明PC与黑色POM焊接时，由于吸光材料为黑色的POM，掩盖了试样所产生的色变，试样的外观质量基本没有变化。而透明PC与乳白色ABS焊接时，白色的基底可以明显反应出材料存在的色变。

图6 PC/ABS焊接试件外观照片

图7 PC/POM焊接试件外观照片

在PC/ABS焊接时，从样品e、f和g可以明显看出结合面出现了明显的黑色与焦黄色焊缝，而样品b、c的发黑部分是由于透光玻璃污染所致。样品出现黑色焊缝的主要原因是焊接速度变慢时，激光能量太高，超出了使材料熔化所需要的能量，材料被碳化、分解，所以在焊接接触面出现了黑色与焦黄色焊缝。另外，透明PC内部存在的微气孔，在激光的热作用下会在PC内部炸开，烧蚀PC，并对激光的透过产生影响，也是产生焊接试样色变的重要原因。