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        激光技術(shù)在異種塑料材料焊接中的應(yīng)用*

        2014-03-26 08:25:24龐振華張慶茂梁錫輝
        機(jī)電工程技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:外觀塑料試件

        龐振華,張 衛(wèi),任 豪,張慶茂,梁錫輝

        (1.廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院,廣東廣州 510663;2.華南師范大學(xué),廣東廣州 510006)

        0 引言

        高分子材料在尖端技術(shù)、國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而塑料作為高分子材料中最重要的一部分,以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能,在汽車、醫(yī)療設(shè)備及電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。而且,許多零部件傳統(tǒng)使用的材料也開(kāi)始逐漸被塑料所代替。如汽車進(jìn)氣歧管[3]、生物芯片[4]等。

        但是,隨著塑料的廣泛使用,對(duì)復(fù)雜塑料件的連接成為影響塑料件質(zhì)量的重要因素。工程上比較常用的塑料連接方法主要有粘合劑連接、溶劑連接和熱焊接等。傳統(tǒng)的塑料連接方式存在很多不足之處[5-8]。

        基于激光束具有單色性好、能量密度高、空間控制性和時(shí)間控制性良好等一系列優(yōu)點(diǎn),激光塑料焊接技術(shù)具有傳統(tǒng)的焊接方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)[9-11]:焊縫尺寸精密、牢度、密封性好,焊件表面完好無(wú)損;樹(shù)脂降解少,產(chǎn)生的碎屑少,由于激光的非接觸特性,不產(chǎn)生污染;易于控制,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作,具有良好的適應(yīng)性,可焊接尺寸小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件,焊接速度快;極大的減小了制品的震動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力,減慢了焊件的老化速度;激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光,能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工。

        由于激光焊接在成本與性能方面巨大優(yōu)勢(shì),在塑料制品的加工中,激光焊接已經(jīng)成為一種新興的更加快速、有效、環(huán)保的焊接方式。

        1 激光塑料焊接的基本原理與方法

        激光焊接塑料的原理又稱為激光透射焊接,其先決條件就是兩零件之一能夠透過(guò)激光,而另一個(gè)零件必須能吸收激光,如圖1所示[12]。在焊接過(guò)程中,將激光器產(chǎn)生的光束聚焦于待焊接區(qū)域,激光束透過(guò)一個(gè)零件,然后在兩零件接觸面被另一個(gè)零件吸收,形成熱作用區(qū);在熱作用區(qū)中的塑料被融化,熱熔狀態(tài)下的塑料大分子在焊接壓力的作用下互相擴(kuò)散,產(chǎn)生范德華力,從而緊密地連接在一起,這樣已熔化的材料形成接頭,待焊接的部件即被連接起來(lái)。

        圖1 激光透射焊接基本原理示意圖

        根據(jù)激光器隨塑料零件移動(dòng)方式和掃描方式的不同,目前研究可把激光塑料焊接方法分成以下七種類型[13]:輪廓焊接、同步焊接、準(zhǔn)同步焊接、掩膜焊接、放射狀焊接、衍射焊接和Globe焊接,如圖2所示。

        圖2 激光塑料焊接方法示意圖

        2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)中采用Violino-3系列全風(fēng)冷端泵浦半導(dǎo)體激光器,如圖3所示。其主要的技術(shù)參數(shù)為:波長(zhǎng)1 064 nm;標(biāo)稱功率20 W±5%;峰值功率116 kW;脈沖寬度6 ns;頻率寬度20~200 kHz;光束質(zhì)量M2<2;功率穩(wěn)定度<±1%rms。

        圖3 Violino-3系列全風(fēng)冷端泵浦半導(dǎo)體激光器

        2.2 實(shí)驗(yàn)材料

        目前激光塑料焊接主要在汽車、電器以及醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛。針對(duì)這些領(lǐng)域,本實(shí)驗(yàn)選取了透明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)等材料進(jìn)行焊接工藝的研究,制作的焊接材料的尺寸如表1所示,其中吸光材料中心鉆Φ13的孔,以便于對(duì)制作的焊接試件進(jìn)行推力測(cè)試。焊接材料薄片如圖4所示。

        表1 焊接材料尺寸

        2.3 材料透光率的測(cè)定

        基于激光透射焊接的機(jī)理,本實(shí)驗(yàn)首先測(cè)定所用材料對(duì)1 064 nm波段近紅外激光的透過(guò)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。依據(jù)測(cè)試結(jié)果,將PC材料作為焊接試件的透過(guò)層(上層),將ABS和POM材料作為焊接試件的吸收層(下層),組合搭配成PC/ABS和PC/POM兩組,分別進(jìn)行激光透射焊接焊接實(shí)驗(yàn)。

        圖4 焊接材料薄片

        2.4 激光焊接參數(shù)

        根據(jù)王霄[14]等人的研究結(jié)果,激光塑料焊接共有6個(gè)影響因素,根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的條件及目的,采用了如表3、4所示的焊接工藝進(jìn)行研究。

        表2 實(shí)驗(yàn)材料透過(guò)率

        表3 PC/ABS焊接工藝參數(shù)

        其他未標(biāo)注的參數(shù)為:激光功率8 W;激光頻率30 kHz;夾具夾緊力500 N;光斑半徑0.2 mm;焊后保壓時(shí)間15 s。

        表4 PC/POM焊接工藝參數(shù)

        其他未標(biāo)注參數(shù)為:夾具夾緊力400 N;光斑半徑0.07 mm;焊后保壓時(shí)間20 s。

        2.5 推力試驗(yàn)測(cè)試

        將焊接試件在LX-8802D微電腦推力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行推力測(cè)試。如圖5所示,在載物臺(tái)上將焊接試件懸空墊起來(lái),使推力傳感器上的推桿穿過(guò)吸光材料上的圓孔后,將推力施加在透光材料上,直至將兩層焊接在一起的材料分離開(kāi),從而測(cè)試出推力的大小,用來(lái)評(píng)估焊接試件的牢固程度。

        圖5 LX-8802D推力試驗(yàn)機(jī)

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        3.1 外觀質(zhì)量的觀察

        一個(gè)樣品的焊接質(zhì)量好,不僅要求它的焊接強(qiáng)度高,而且對(duì)它的外觀質(zhì)量也應(yīng)該有較高的要求。從而可以更好地滿足工業(yè)應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品的外觀照片進(jìn)行了對(duì)比,如圖6、7所示。

        結(jié)果顯示,透明PC與黑色POM焊接時(shí),由于吸光材料為黑色的POM,掩蓋了試樣所產(chǎn)生的色變,試樣的外觀質(zhì)量基本沒(méi)有變化。而透明PC與乳白色ABS焊接時(shí),白色的基底可以明顯反應(yīng)出材料存在的色變。

        圖6 PC/ABS焊接試件外觀照片

        圖7 PC/POM焊接試件外觀照片

        在PC/ABS焊接時(shí),從樣品e、f和g可以明顯看出結(jié)合面出現(xiàn)了明顯的黑色與焦黃色焊縫,而樣品b、c的發(fā)黑部分是由于透光玻璃污染所致。樣品出現(xiàn)黑色焊縫的主要原因是焊接速度變慢時(shí),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,所以在焊接接觸面出現(xiàn)了黑色與焦黃色焊縫。另外,透明PC內(nèi)部存在的微氣孔,在激光的熱作用下會(huì)在PC內(nèi)部炸開(kāi),燒蝕PC,并對(duì)激光的透過(guò)產(chǎn)生影響,也是產(chǎn)生焊接試樣色變的重要原因。

        3.2 推力試驗(yàn)結(jié)果分析

        為了綜合評(píng)價(jià)激光焊接過(guò)程中焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊接強(qiáng)度的影響,本實(shí)驗(yàn)引入了焊接體能量[15]的定義,并總結(jié)了焊接體能量與焊接強(qiáng)度間的關(guān)系。

        焊接體能量EV的定義為:沒(méi)有充分的熱熔,試樣主要靠界面處的范德華力結(jié)合在一起,并未焊牢;而當(dāng)焊接體能量過(guò)高時(shí),會(huì)造成材料的熱分解,在焊接界面處形成空洞等缺陷,影響焊接強(qiáng)度。因此,選擇適當(dāng)?shù)暮附芋w能量才可以得到較好的焊接強(qiáng)度。

        表5 PC/ABS焊接試樣推力數(shù)據(jù)

        表6 PC/POM焊接試樣推力數(shù)據(jù)

        從PC/POM實(shí)驗(yàn)組b、d與e可以看出,當(dāng)焊接體能量固定時(shí),激光頻率變大,試樣的焊接強(qiáng)度也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。主要原因是較高的頻率可以使焊接材料吸收足夠的能量并將其轉(zhuǎn)化成熱量,有利于材料的熔融,從而形成強(qiáng)度較高的焊縫。

        4 技術(shù)應(yīng)用

        某公司提供的是某款手機(jī)的外殼與保護(hù)屏,如圖8所示。手機(jī)外殼是黑色的ABS,保護(hù)屏是透明的PC。

        實(shí)驗(yàn)采用輪廓焊接的方法,激光沿著待焊區(qū)域掃描一周,從而完成焊接。焊接后采用VML250光學(xué)影像測(cè)量?jī)x觀察產(chǎn)品的外觀,采用LX-8802D微電腦拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試產(chǎn)品力學(xué)性能。焊接后產(chǎn)品的外觀如圖9所示。

        圖8 手機(jī)外殼與顯示屏

        圖9 焊接后產(chǎn)品外觀

        從圖9(b)可以看出,通過(guò)激光焊接后,焊接區(qū)域均勻,外觀未產(chǎn)生明顯的色變。焊接后,對(duì)產(chǎn)品不同的焊接區(qū)域進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果顯示產(chǎn)品所能承受的平均拉力為99 N,符合客戶要求。

        5 結(jié)論

        本論文著重研究了不同塑料材料之間進(jìn)行激光焊接的可行性和工藝過(guò)程,通過(guò)對(duì)焊接樣品進(jìn)行性能測(cè)試,得出以下結(jié)論。

        (1)證實(shí)了激光技術(shù)可以成功實(shí)現(xiàn)異種塑料間的焊接。

        (2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出,焊接體能量過(guò)低時(shí),焊接強(qiáng)度較低;焊接體能量過(guò)高時(shí),材料會(huì)碳化,影響外觀質(zhì)量。當(dāng)焊接體能量固定時(shí),激光頻率變大,試樣的焊接強(qiáng)度也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。因此,要獲得較好的外觀質(zhì)量與力學(xué)性能的焊接試樣,需要選擇合理的焊接工藝參數(shù)。

        (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,激光塑料焊接是一種新興的更加快速、有效、環(huán)保的焊接方式。激光塑料焊接可以得到與母材色度相近、力學(xué)性能良好的焊接試樣,并可以成功的實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。

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