基于DOE实验设计方法的聚丙烯焊接工艺优化

徐 亮， 戴 婷， 陈 涛， 匡 莉

（上海金发科技发展有限公司，上海 201799）

激光透射法焊接时，激光穿过透光层塑料，被吸光性塑料吸收，通过加热使界面处发生熔融或软化，同时在压力的作用下聚合物分子链通过界面进行扩散形成链缠结，并最终形成牢固的连接[1-2]。塑料激光焊接强度影响因素较多，首先聚合物材料对激光的特性，聚合物材料和激光的相互作用机理，焊接材料之间的相容性，以及聚合物材料本身的热力学等特性都会影响焊接强度；其次焊接工艺的选择也将会在一定程度上影响焊接强度，如焊接过程中速度、加速度、焊接压紧力、焊接功率、激光器种类等因素[3-4]。为了能够使得PP材料具有较高的焊接强度，采用科学的方法增加PP材料激光焊接的强度是至关重要的。

目前多采用控制变量法进行塑料激光焊接工艺方面的研究，但是不同工艺之间相互影响，利用该种方法缺乏科学的验证和统计学支撑。同时对于PP原材料结构特点及其样品厚度对焊接强度的影响研究较少。本文采用实验设计（DOE）的方法，提出了增加PP原材料焊接强度的科学的实验方案，改善了PP材料焊接工艺。实验设计方法在质量控制的整个过程中扮演了非常重要的角色，可以减少实验次数，缩短实验时间和避免盲目性，又能够迅速得到有效的实验结果[5-6]。

本研究的目的在于通过 DOE实验设计的方法找出影响 PP材料焊接强度的主要的因素，确定最佳的PP材料的焊接工艺，达到最佳的焊接强度，为后期的PP材料在激光焊接方向的应用提供探究思路。

1 实验

1.1 材料及设备

透光材料为两种不同聚合方式的PP原材料，第一种为共聚PP，牌号为M60RHC，另一种为均聚PP，牌号为 S700，通过注塑成型制备对应尺寸的激光焊接样条。尺寸为 127 mm×12.7 mm×2.0 mm 和127 mm×12.7 mm×3.2 mm。吸光材料为改性PP材料。由于添加了炭黑，则能够很好地作为吸收材料。具体试样尺寸为127 mm×12.7 mm×2.0 mm 和127 mm×12.7 mm×3.2 mm，如表1所示。

表1 激光焊接材料及其焊接后样品尺寸设计表

大族100 W光纤传输激光焊接，波长为915 nm，光斑直径为光斑直径为0.4 mm。采用三轴连动使焊接更具有灵活性。

1.2 焊接工艺流程

焊接工艺流程如图1所示，上层选用白色PP燃烧板作为透射材料，下层黑色板由于添加炭黑作为吸收材料，通过气压调节阀控制A和B两夹紧装置的夹紧力，以达到吸收激光能量，融化PP燃烧板，在夹紧力的作用下，熔融两接触板，形成焊缝。

图1 激光透射焊接示意图

1.3 力学性能实验

电子万能试验机（德国ZWICK 10kN）测定不同工艺条件下焊接样条的焊接强度T。由公式（1）计算焊接强度T，对5个试样的测定结果取算术平均值作为力学性能数据。

式中：T为焊接强度，MPa；Fmax为所测的最大剪切力，N；A为试样的原始横截面积，mm2。

2 结果与讨论

2.1 实验因子确定

在PP材料激光焊接的过程中，激光功率的选择决定了焊接时的能量输入，进而可以控制焊缝成型，提高焊接功率会导致更高的能量累积，得到较大较宽焊缝；气压加紧力决定了A和B两夹紧装置给透光PP和吸光PP材料施加的压力，有利于两接触层之间的聚合物分子链在焊缝区域更好的进行链缠结；原材料的种类的不同光学透过率，热力学性能等都与激光之间存在相互作用，会对塑料焊接的强度存在一定的影响；样品的厚度会影响到激光投过上层的透光PP材料后剩余的激光能量，也会影响PP材料之间的激光焊接强度。因而选择了焊接功率、气压夹紧力、原材料种类、样品厚度四个影响因子。

2.2 确定水平

每个影响因子各取两个水平。其中：焊接功率：20 W（低），40 W（高）；气压夹紧力：0.1 MPa（低），0.3 MPa（高）；原材料种类：M60RHC（低），S700（高）；样品厚度：2.0 mm（低），3.2 mm（高）。

2.3 列出全因子实验设计表

使用Minitab软件根据DOE实验设计的方法，列出4因子2水平的全因子实验设计表，如下表2所示。

表2 4因子2水平的全因子实验设计表

2.4 全因子实验结果

采用表2 （4因子2水平的全因子实验设计表）DOE全因子实验设计方案进行PP材料焊接工艺实验，按照表2的运行序分别进行DOE全因子实验。按照图1的搭接方式，将样品置于三轴联动台上，利用气压调节阀控制A与B两板之间的夹紧力，燃烧样条采用不同的注塑模具得到厚度差异的标准尺寸（厚度分别为2 mm和3.2 mm）。设置激光焊接的程序，控制激光焊接的速度为20 m/s，焊接加速度为20 m/s2，焊接结束后，保持10 s稳定时间，确保其接触面在夹紧状态下进行冷却。完成DOE设计的全因子实验设计后，将得到的不同焊接工艺下的焊接样条利用10 kN的电子万能试验机进行激光焊接强度测试。不同焊接工艺条件下得到的焊接强度如表3所示。

表3 全因子实验方案

从表1实验结果可以看出，选择不同的气压压紧强度、不同的焊接功率，都会对PP材料的焊接强度产生一定的影响。同时不同的PP材料的种类，以及利用注塑成型制备的不同PP材料厚度的燃烧板，都在一定程度上影响了激光焊接的强度。

2.5 全因子实验结果分析

2.5.1 全残差分析

由图 2分析可知：1）从残差与拟合值图和残差观测值顺序图看出，其点随机分布在中心线两侧；2）残差正态图反映出一条直线，因此所有的残差都是正态分布。

图2 响应焊接强度的残差诊断四合一图：（A）正态概率图；（B）与拟合值；（C）直方图；（D）与顺序

2.5.2 主效应及交互作用分析

从DOE全因子实验结果分析，包括气压夹紧力、原材料种类、焊接功率以及燃烧样条的厚度都对焊接强度存在影响。在主效应图中可以看出，采用不同模具注塑得到的不同厚度的燃烧样条与焊接强度之间体积分数相关性非常显著，气压夹紧力和原材料的种类也在一定程度上影响PP材料的焊接强度。而焊接功率的高低水平对于选择的PP材料的焊接强度影响相对较小。在焊接强度交互作用图中，发现样品的厚度和焊接功率、气压夹紧力和样品厚度、气压夹紧力和焊接功率这三组组合，两者效应线明显不平行，特别是样品的厚度和焊接功率两者的效应曲线发生交叉，说明该类因子组合的交互作用对输出变量影响甚大。再结合标准化效应的正态图以及标准化效应的Pareto图，初步确定了气压夹紧力、原材料的种类、样品的厚度以及焊接功率和样品的厚度的交互作用，对PP材料的焊接强度的效应影响属于显著的。

图3 （A）响应焊接强度的主效应图；（B）响应焊接强度的交互作用图

图4 （A）响应焊接强度的标准化效应的正态图；（B）响应焊接强度的标准化效应的Pareto图

2.5.3 实现最优化

图5为焊接强度优化器结果图，从图5可以看出，采用DOE实验设计方案可以得到在所给定的四个因子中，以及因子之间的交互作用，确定选定的PP材料的最佳焊接工艺条件为：气压夹紧力选择0.3 MPa，原材料种类选择M60RHC，焊接功率选择40 W，样品厚度选择2 mm时，采用此种焊接工艺条件，PP材料的焊接强度将会达到19.475 MPa。同时可以建立PP材料的焊接强度与各因子气压夹紧力、原材料种类、样品厚度以及样品厚度和焊接功率交互作用的回归方程：PP材料焊接强度＝37.84＋10.50×气压夹紧力－2.2×原材料－0.344×焊接功率－8.83×样品厚度＋0.1437×焊接功率×样品厚度。因而根据 DOE的实验设计方法能够方便的从复杂的焊接工艺中找到最优的焊接方案，不需要完成大量的实验。

图5 焊接强度优化器结果图

3 结论

通过 DOE实验设计的方法，能够快速的从气压夹紧力、原材料的种类、焊接功率以及样品厚度这四个因子中，确定出所选PP材料最佳的焊接工艺条件。稳定控制气压夹紧力为0.3 MPa，选择共聚PP，牌号M60RHC为原材料，焊接功率控制在40 W，样品厚度为2 mm时，可以得到最佳的焊接工艺，焊接强度可以达到19.475 MPa。利用DOE对PP材料最佳焊接工艺的筛选的方法对于其他类型的改性塑料提供了思路，有利于激光焊接能够更加快速的在汽车零部件材料方面得到广泛的应用。