304不锈钢与PA66塑料激光焊接工艺研究

王毅，许贵阳

304不锈钢与PA66塑料激光焊接工艺研究

王毅，许贵阳

（河南工业职业技术学院，河南南阳 473000）

研究304不锈钢和PA66（尼龙）的焊接工艺，提高焊缝剪切强度。采用500 W光纤激光器对异种材料进行搭接焊接实验，对激光功率、焊接速度、离焦量、焊接次数进行四因素四水平正交实验，并且测试焊缝剪切强度。当激光功率为350 W，焊接速度为600 mm/s，离焦量为1 mm，焊接次数为3时，焊缝剪切强度达到最大的58 MPa。极差分析结果表明，影响焊缝剪切强度的因素依次为激光功率、离焦量、焊接速度、焊接次数。微观结构分析结果表明，焊缝在PA66塑料侧呈现韧性断裂；在304不锈钢侧呈现韧性脱落，塑料和不锈钢有紧密的贴合，这种结构有利于提高焊缝的剪切强度。

304不锈钢；PA66塑料；激光焊接；工艺研究；微观结构

304不锈钢具有良好的抗耐蚀性以及耐磨性[1-2]，PA66（尼龙）具有耐腐蚀、质量轻以及强度大等优点[3-4]，2种材料在生活和工业中都被广泛应用。为充分发挥每种材料的优势，将2种材料连接，形成结构件，达到需要的功能。由于金属与塑料之间的物理性能如热膨胀系数、熔点等存在较大差异，两者之间的连接有较大困难[5-6]。传统的连接方式通常是胶水粘结和机械连接，但是这种连接接头强度不高，且寿命不长[7-8]。

焊接是原子之间、分子之间或者原子与分子之间的结合，具有较强的焊缝强度、长的焊缝寿命以及良好的密封性[9-10]，而传统的焊接方式主要是热板焊接，存在热输入量大的问题，容易损伤材料外观以及产生热变形等问题。激光焊接技术是采用能量集中的激光束对焊缝进行局部加热，热输入量相对较小，在金属与金属或者塑料与塑料的焊接中得到广泛应用[11-14]。塑料与金属异种材料的焊接研究处于起步阶段，如黄磊等[15]采用激光将304不锈钢与PET进行焊接，并对其性能进行了研究，得到焊缝最大抗拉强度为12.67 MPa。黄怡洁等[16]对塑料PMMA与304不锈钢进行了激光焊接研究，到目前，未见有对304不锈钢与PA66塑料激光焊接的报道出现。

文中采用光纤激光器对日常生活生产中常见的304不锈钢与PA66塑料进行焊接实验，通过工艺实验得到最佳的焊接效果，并且对影响因素及焊缝结构进行分析，为实际生产提供实验参考。

1 实验

1.1 材料

待焊材料为304不锈钢和PA66塑料，板材尺寸为200 mm×100 mm×1 mm，PA66塑料与304不锈钢的物理参数如表1所示，在材料密度、热导率以及熔点等方面的差异较大。PA66塑料为透明材料，对光的透过率为95%。采用PA66在上、304不锈钢在下的方式进行搭接焊接，激光透过上层的PA66塑料，作用在下层的304不锈钢上，激光能量被吸收后，产生热量，将低熔点的塑料熔化，激光离开后，熔化的塑料冷却，与不锈钢熔合在一起。

表1 304不锈钢与PA66塑料的物理参数

1.2 设备

采用光纤激光器作为焊接光源，最大激光输出功率为500 W，波长为1064 nm，激光器由武汉锐科激光公司提供，型号为RLF-C500，激光束经过聚焦系统后在三维运动平台上运动，对材料进行焊接加工。采用微机控制的电子万能试验机测试焊缝接头的剪切强度，由珠海三思泰捷公司提供，型号为CMT4102，实验平台如图1所示。

图1 实验平台

2 工艺实验结果及分析

2.1 影响因素

根据大量预实验结果可知，影响PA66塑料与304不锈钢激光焊缝剪切强度的主要工艺参数为激光功率、焊接速度、离焦量以及焊接次数。当激光功率较低时（低于200 W），激光产生的热量无法达到塑料的熔点，这种情况下，焊缝几乎没有剪切强度；当激光功率过高（高于450 W）时，产生的温度过高，上层塑料容易碳化，剪切强度降低。焊接速度对焊缝上的热量累积起到重要作用，当焊接速度过慢，热量累积较大，塑料过热产生碳化；当焊接速度超过700 mm/s时，热量累积不够，没有将塑料熔化充分，这2种情况下，焊缝剪切强度均较低。激光焦点处的光斑最小，功率密度最高，作用在不锈钢材料表面上时，容易将不锈钢材料气化，导致剪切强度低，一般需要激光焦点与材料表面保持一定距离，即离焦量。激光焦点在材料表面时，离焦量为0，激光焦点在材料表面以下为负离焦，文中设置不同的负离焦量，来降低激光作用在材料表面的功率密度，减少不锈钢材料的气化。当焊接次数为1时，由于塑料与不锈钢熔合不够充分，焊缝剪切强度较小，当焊接次数为4时，焊缝表面有轻微烧伤的痕迹，这是因为热量累积太大，将材料部分碳化，焊缝剪切强度降低。根据预实验结果，对激光功率、焊接速度、离焦量以及焊接次数进行四因素四水平正交实验，如表2所示。

表2 因素水平表

2.2 正交实验结果

根据表2进行四因素四水平正交实验设计，得到16组焊接参数组合，对焊缝进行剪切强度测试，表3为16组焊接参数以及对应的剪切强度。由正交实验结果可知，12#为正交实验的最佳工艺参数，当激光功率为350 W，焊接速度为600 mm/s，离焦量为1 mm，焊接次数为3时，焊缝接头剪切强度达到最大的58 MPa，优于黄磊等[15]采用激光焊接的304不锈钢与PET焊缝（抗拉强度为12.67 MPa）。由于每次焊接的速度较快，为600 mm/s，不会降低生产效率，也不会增加生产成本。

表3 正交实验结果

在16组正交实验中，激光功率A取水平1（A=250 W）的共有4组实验，将这4组实验的焊缝剪切强度累加得统计量1=106。同理将其他因素在各水平下的焊缝剪切强度进行叠加，结果如表4所示。表4的极差值是同一因素在四水平下的最大值与最小值之差，值越大，表明该因素对焊缝剪切强度的影响大；反之，值越小，表明该因素对焊缝剪切强度的影响小。可以看出，对焊缝剪切强度的影响因素由主到次依次为：激光功率、离焦量、焊接速度、焊接次数。

表4 正交实验焊缝宽度的直观分析表

对正交实验的焊缝外观进行分析，实验1#的焊缝痕迹比较轻微，中间出现了焊缝不连续的现象，如图2a所示，这是因为激光功率为250 W，热量累积不够，塑料熔化程度不够，这种情况下，焊缝的剪切强度较低，实验2#，3#，4#的外观与其一样。实验5#的焊缝痕迹没有不连续的现象，但是焊缝宽度不均匀，如图2b所示，这是因为激光功率为300 W时，熔化的塑料未进一步铺展开，焊缝宽度较窄，导致焊缝剪切强度较低，实验6#，7#，8#的外观与其一样。实验9#的焊缝痕迹连续，且宽度一致均匀，如图2c所示，激光功率为350 W时，下层不锈钢吸收的热量足够将上层的塑料进行充分的熔化，形成均匀一致的焊缝轨迹，焊缝剪切强度最大，实验10#，11#，12#的外观与其类似。实验13#有发黑现象，如图2d所示，激光功率为400 W时，下层不锈钢吸收的热量过大，将部分塑料碳化，产生黑烟，这种情况下，焊缝剪切强度较低，实验14#，15#，16#的外观与其类似。

图2 焊缝外观

2.3 焊缝微观结构分析

对正交实验的最佳工艺参数（激光光平均功率为350 W，焊接速度为600 mm/s，离焦量为1 mm，焊接次数为3）的焊缝进行剪切强度测试，然后对焊缝微观结构进行分析，焊缝断裂发生在塑料/不锈钢界面处，图3a为塑料一侧，表面像脊骨一样，且有韧窝，这是塑料母材被撕裂的状态，表现出韧性断裂，表明塑料与不锈钢有较强的粘合度。图3b为不锈钢一侧，表面的大部分区域有塑料残留，这是因为部分塑料粘连在不锈钢上，部分塑料从不锈钢材料表面脱落，表现出了塑料的韧性脱落，这种焊缝在塑料侧的韧性断裂及在不锈钢侧的韧性脱落有利于提高焊缝的剪切强度。

图3 焊缝微观结构

3 结论

采用500 W光纤激光器对PA66塑料与304不锈钢进行搭接焊接实验，通过正交实验，在最佳工艺参数条件下，下层不锈钢吸收的热量足够将上层的塑料进行充分熔化，形成均匀一致的焊缝轨迹，此时焊缝剪切强度最大。

对剪切强度测试后的焊缝微观结构进行分析，焊缝中靠近塑料一侧有韧窝，表现出韧性断裂，焊缝中靠近不锈钢一侧表现出韧性脱落，这种形式有利于提高焊缝的剪切强度。

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Laser Welding Technology for 304 Stainless Steel and PA66 Plastic

WANG Yi, XU Gui-yang

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

The work aims to study the welding technology for stainless steel 304 and PA66 (nylon), so as to improve the weld shear strength. 500 W fiber laser was used to carry out welding experiment on dissimilar materials. Four-factor and four-level orthogonal experiments were carried out on laser power, welding speed, defocusing amount and welding times, and the shear strength of weld was tested. When laser power was 350 W, welding speed was 600 mm/s, defocusing amount was 1 mm, and welding times was 3, the shear strength of weld reached 58 MPa. Range analysis results showed that factors affecting the shear strength of weld were laser power, defocusing amount, welding speed and welding times in sequence. Microstructure analysis results show that welds present ductile fracture on the plastic side and ductile detachmenton side of 304 stainless steel. Plastic and stainless steel are fitted closely, which is beneficial for improving the shear strength of welds.

304 stainless steel; PA66 plastic; laser welding; technology research; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.023

TG456.7

A

1674-6457(2022)01-0182-05

2021-03-08

河南省科技厅重点科技攻关项目（162102310363）

王毅（1979—），男，硕士，讲师，主要研究方向为光电技术及其应用。