張 新，張靖安

(吉林省激光研究所，吉林長春130020)

1 引言

塑料激光焊接最早可以追溯到20世紀(jì)60年代［1］，具有非接觸式焊接無粉塵等污染物產(chǎn)生，沒有對(duì)模具的磨損，焊接區(qū)域光學(xué)性能良好，加工精度高等優(yōu)點(diǎn)［2］。

近年來越來越多的研究人員都對(duì)激光透射焊接塑料進(jìn)行了深入的研究，包括各種材料可焊性的總結(jié)［2］，各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的探討［3－6］，焊接強(qiáng)度和焊接質(zhì)量的數(shù)值模擬［7－8］等。為保證激光透射塑料焊接試樣的焊接質(zhì)量，通常要對(duì)接頭的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定試驗(yàn)。這些力學(xué)性能指標(biāo)包括剪切強(qiáng)度、正拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及斷裂韌性等。在設(shè)計(jì)焊接接頭時(shí)，根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的承載狀況，人們更為關(guān)心的是接頭的剪切強(qiáng)度。

2 新的測(cè)試方法

根據(jù)我們前期進(jìn)行的工作證實(shí)現(xiàn)行激光透射塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試方法，如圖1所示。

圖1 激光透射塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣Fig.1 Single-lap specimens in laser transmission welding of plastics

得到的焊接接頭破壞強(qiáng)度并非焊接面的真實(shí)抗剪切力。這是由于在這兩種情況下焊接在一起的試樣兩端所受到的外力不同中心，在拉力F作用下焊接面處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力矩M，附加力矩M會(huì)使焊縫處發(fā)生一定角度 的偏轉(zhuǎn)，從而使拉力F分解為平行于焊接面的剪切力和垂直于剪切面的剝離力，試驗(yàn)得到的破壞力并非焊接面的真實(shí)抗剪切力。因此，設(shè)計(jì)一種新的激光塑料焊接剪切強(qiáng)度測(cè)試方法是十分必要的，基于對(duì)現(xiàn)行激光透射塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試方法的綜合分析，我們提出了對(duì)稱試件雙面搭接拉伸方法:即將現(xiàn)有的兩塊板材搭接產(chǎn)生一條焊縫的試樣制備方法，改變?yōu)樗膲K板材對(duì)稱搭接產(chǎn)生四條焊縫的試樣制備方法。如圖2(a)所示為雙搭設(shè)計(jì)試樣在剪切實(shí)驗(yàn)過程中的受力情況;圖2(b)所示為雙搭試樣設(shè)計(jì)側(cè)視圖。

圖2 雙搭試樣設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of double-lap specimen in laser transmission welding of plastics

該試樣受力情況如圖2(a)所示:由于焊接在一起的兩片試樣兩端所受到的外力中心在一條直線上，在拉力F作用下焊接面處只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于焊接面的剪切力，兩對(duì)稱焊縫焊接面積均為相同。根據(jù)材料力學(xué)理論，處于對(duì)稱位置的兩焊接界面處于純剪切狀態(tài)，因而剪切試樣的破壞是由純剪切力作用所造成，試驗(yàn)得到的破壞力為焊接面真實(shí)抗剪切力。測(cè)試值與真實(shí)值之間誤差較小。另一方面，由于不存在附加力矩的作用，雙搭焊接剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣在拉伸的過程中焊縫處不會(huì)有明顯的角度偏轉(zhuǎn)。

理論上，雙搭焊接得到的測(cè)試值更為接近于試樣破壞的真實(shí)剪切強(qiáng)度，單搭焊接得到的測(cè)試值要小于試樣破壞的真實(shí)剪切強(qiáng)度，因此相同實(shí)驗(yàn)條件下，雙搭焊接的試樣破壞剪切強(qiáng)度要大于單搭焊接的。為了驗(yàn)證以上兩點(diǎn)假設(shè)的正確性，從而檢驗(yàn)提出的新方法的合理性與可行性，我們進(jìn)行了驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取常見的透明聚丙烯(PP)塑料作為上層透過材料，白色不透明PP塑料作為下層吸收材料，透明PP試樣幾何尺寸為40 mm×20 mm×1.4 mm，白色不透明PP試樣幾何尺寸為40 mm×20 mm×3.7 mm;吸收劑選擇普通水性白板筆墨跡(炭黑)。圖3為實(shí)驗(yàn)材料實(shí)物照片。

圖3 實(shí)驗(yàn)材料Fig.3 Material of the experiment

實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備:S－30－808－4型半導(dǎo)體激光光纖耦合輸出激光器系統(tǒng)，最大輸出功率30 W，波長808 nm;CSS－1102C型全電子萬能試驗(yàn)機(jī);Canon EOS 550D型數(shù)碼照相機(jī)，臺(tái)灣Dino-Lite數(shù)碼顯微鏡AM－4013TL型，最大放大倍率90。

實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比的方法分別進(jìn)行了單搭接和雙搭接方法制備激光塑料焊接剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣，焊接參數(shù)如表1和表2所示。在CSS－102C型全電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)兩組試樣的焊接接頭剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，加載速度為10 mm/min，試驗(yàn)過程中采用連拍的方法來記錄試樣從未受力狀態(tài)直至斷裂的過程。萬能試驗(yàn)機(jī)記錄的數(shù)據(jù)用于分析單搭和雙搭剪切強(qiáng)度對(duì)比。

4 結(jié)果與討論

4.1 試樣角度偏轉(zhuǎn)情況

圖4和圖5分別與單搭和雙搭的剪切測(cè)試方法對(duì)應(yīng)，兩種檢測(cè)方法在拉伸過程中試樣變化。其中:圖4(a)為試樣未被拉伸前;圖4(b)為拉伸過程中;單搭的拉伸過程中有明顯的角度偏轉(zhuǎn)(如圖4所示)。最后材料在彎矩作用下斷裂。而在雙搭過程中從開始到試樣破壞一直沒有明顯偏轉(zhuǎn)角度的產(chǎn)生，如圖 5所示，與預(yù)期的設(shè)計(jì)效果吻合。

圖4 單搭試樣拉伸過程Fig.4 Photographic view of single-lapped specimen in shear pulling test

圖5 雙搭試樣拉伸過程Fig.5 Photographic view of double-lapped specimen in shear pulling test

4.2 剪切測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)于剪切破壞的每一個(gè)試樣都在Dino-Lit數(shù)碼顯微鏡下進(jìn)行形貌觀察并用附帶的Dino Capture 2.0軟件計(jì)算破壞的結(jié)合面面積，單搭試樣的能量密度的計(jì)算采用如下公式:

式中，ED為能量密度，J/mm2;P為功率，W;L為焊縫長度，mm;V為焊接速度，mm/s;S為焊接面積，mm2。

單搭焊縫的剪切強(qiáng)度τc計(jì)算公式如下:

其中，τc為剪切強(qiáng)度;F為最大拉力值，N;S為被破壞的結(jié)合面面積，mm2。

對(duì)于雙搭以上兩個(gè)計(jì)算公式中焊接面積值應(yīng)該取為2 S，因?yàn)閷?shí)際上在拉伸的過程中，兩條焊縫并聯(lián)承擔(dān)了施加的拉力。雙搭試樣的能量密度的計(jì)算采用如下公式:

雙搭焊縫的剪切強(qiáng)度τc計(jì)算公式如下:

表1 雙搭實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Tab.1 Experimental parameters and results with double-lapped specimens

表2 單搭實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Tab.2 Experimental parameters and results with single-lapped specimens

表3 相同能量密度區(qū)間單雙搭剪切強(qiáng)度對(duì)比Tab.3 The shear strength of contrast between double-lapped specimen and the single-lapped in the same energy density range

4.3 結(jié)果分析

在相同能量密度區(qū)間進(jìn)行單搭與雙搭的剪切實(shí)驗(yàn)相比，雙搭的剪切強(qiáng)度高于單搭的(表3)，造成這種現(xiàn)象的原因是在斷裂的瞬間，二者焊縫斷裂行為不同:單搭的試樣，由于附加力矩的作用，在斷裂的瞬間，兩塊板材之間形成了一個(gè)相向的弧形，這使得焊縫的破壞形式是不同步的，即焊接面從一端開始斷裂繼而在外力作用在，將剩余焊縫破壞;而在雙搭的試樣中，不存在附加的力矩作用，兩板材之間無相對(duì)的彎曲，斷裂形式是焊接面同步破壞。即焊接面是同時(shí)被破壞的無時(shí)間的先后。少數(shù)對(duì)比結(jié)果(第二組)是單搭的強(qiáng)度高于雙搭，造成這個(gè)結(jié)果的原因可能是實(shí)驗(yàn)過程中的偶然因素如:人員操作規(guī)程，材料性質(zhì)的微小差別等。

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)之上，提出了一種改進(jìn)的激光塑料焊接接頭剪切方法，將現(xiàn)有的兩塊板材、一條焊縫的試樣制備方法，改變?yōu)樗膲K板材、四條焊縫的試樣制備方法。

(2)選取透明聚丙烯(PP)和不透明PP板條試樣進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，取得了良好的效果。

(3)較單搭焊接剪切強(qiáng)度測(cè)試方法相比雙搭焊接因?yàn)闆]有附加力矩的作用，因此不會(huì)改變焊接面受力狀態(tài)，在拉伸剪切過程中沒有角度偏轉(zhuǎn)。

(4)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的雙搭剪切斷裂數(shù)據(jù)高于相同能量密度區(qū)間單搭焊接試樣。只是因?yàn)閱未詈碗p搭試樣焊縫斷裂形式不同。

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