蔡錦達(dá)，李 翔，王 穎

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海201800,China)

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塑料的半導(dǎo)體激光焊接工藝研究

蔡錦達(dá)1，李 翔1，王 穎2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海201800,China)

采用50 W半導(dǎo)體激光器進(jìn)行塑料焊接實(shí)驗(yàn)。為了研究半導(dǎo)體激光對(duì)常見(jiàn)塑料的焊接工藝，以透明和不透明PMMA作為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)控制變量法，分別單獨(dú)改變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾個(gè)工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)不同工藝焊接實(shí)驗(yàn)，尋找PMMA的最佳組合工藝參數(shù)范圍。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接功率為10 W，焊接速度為20 mm/s，光斑直徑為1.6 mm是其中一組優(yōu)秀工藝參數(shù)組合。此外，在實(shí)驗(yàn)用激光器條件下，用于焊接PMMA的焊接功率不宜超過(guò)30 W。

塑料焊接；半導(dǎo)體激光；PMMA；工藝參數(shù)

CAI Jinda1, LI Xiang1, WANG Ying2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science &Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

多年來(lái)，在研究諸多塑料焊接技術(shù)中有熱氣焊接法、摩擦焊接以及超聲波焊接等[1-3]。然而隨著激光技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的激光設(shè)備。這使得激光透射焊接作為全新的塑料焊接技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野[4]。相比于上述傳統(tǒng)的塑料焊接方法，激光焊接具有多種優(yōu)勢(shì)，其更加環(huán)保，由于其屬于非接觸焊接，所以產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力更小，這使得被焊件的熱變形較小，熱影響區(qū)也相應(yīng)較小，焊接質(zhì)量要高于其他方式[5-6]。

1 激光透射焊接原理

本文采用的半導(dǎo)體激光焊接技術(shù)基于透射焊接原理，焊接前需要將兩層對(duì)激光具有不同吸收性的塑料疊放在一起。其中，上層塑料需要對(duì)所用激光具有較高的通透性，相反，下層塑料需對(duì)激光具有較高的吸收性。與此同時(shí)，需要有一定的焊接壓力[7]。然后在焊接過(guò)程中，將激光束聚焦于兩層塑料的接觸面，即待焊接面。當(dāng)激光掃過(guò)待焊面，下層吸收材料吸收熱量，使自身熔化，同時(shí)吸收的熱量會(huì)傳導(dǎo)到上層材料使其熔化。上下兩層熔化的材料形成熱熔融區(qū)，熱熔融區(qū)的塑料分子在一定的壓力下互相擴(kuò)散，并產(chǎn)生范德華力，進(jìn)而發(fā)生二次聚合，冷卻后形成焊縫，從而使兩層塑料焊接在一起[8]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)材料

2.1 激光器

最早用作塑料焊接的激光器是CO2激光器，隨著固體激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸開(kāi)始使用YAG激光器和半導(dǎo)體激光器進(jìn)行塑料焊接[9]。本文所做實(shí)驗(yàn)全部是基于由紐敦光電科技有限公司(上海)所生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，該激光器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文所有實(shí)驗(yàn)是基于一種半導(dǎo)體激光塑料焊接機(jī)上完成的，如圖1(a)所示。該機(jī)器是作者自主研發(fā)搭建，已申請(qǐng)專(zhuān)利，目前專(zhuān)門(mén)用于塑料焊接。主要由半導(dǎo)體激光器和一套二維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成，該機(jī)器需要與上位機(jī)相連，并可通過(guò)上位機(jī)對(duì)激光的開(kāi)關(guān)、功率大小、焊接速度以及焊接軌跡進(jìn)行控制。

表1 激光器相關(guān)參數(shù)

一般為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行較為全面的觀(guān)察，會(huì)分別對(duì)焊接后的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行金相觀(guān)察實(shí)驗(yàn)和拉力檢測(cè)[10]。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文采用Novel牌帶電子攝像頭的顯微鏡，如圖1(b)，和三維高分辨率照相機(jī)，如圖1(c)，對(duì)焊接件的焊縫進(jìn)行觀(guān)察。進(jìn)而用彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)焊接件進(jìn)行初步的拉力測(cè)試，該方法主要用來(lái)測(cè)試試件焊接強(qiáng)度從而驗(yàn)證焊接效果優(yōu)秀與否。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

本文選擇的實(shí)驗(yàn)材料是常見(jiàn)的熱塑性塑料，透明PMMA和摻有炭黑的黑色PMMA。表2為這4種實(shí)驗(yàn)材料的詳細(xì)參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

材料名稱(chēng)尺寸/mm透過(guò)率/%密度/g·cm-1熔化溫度/℃分解溫度/℃透明PMMA50×30×3721.15160270黑色PMMA50×30×3101.15165280

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在熱塑性塑料的激光焊接過(guò)程中，焊接件之間的夾緊力、激光功率、焊接速度、光斑大小等4種因素對(duì)焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大[11]。因此，實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制變量法分別單獨(dú)研究各因素對(duì)焊接結(jié)果的影響。為了定量描述焊接質(zhì)量的優(yōu)秀與否，在此引入一個(gè)叫做能量密度的變量，具體定義為

(1)

式(1)中，ED表示能量密度，單位J/mm2；P表示焊接功率，單位W；v表示焊接速度，單位mm/s；Φ表示光斑直徑，單位mm[12]。

先做一組有無(wú)夾具的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由于該激光器光束的特殊分布，激光光束在聚焦面上的能量分布最為均勻，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持離焦量為零，即光斑大小Φ=1.6 mm。然后，分別單獨(dú)研究激光功率與焊接速度對(duì)焊接效果的影響，進(jìn)行工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)。最終，通過(guò)對(duì)焊縫形貌的觀(guān)察以及拉力實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先做一組無(wú)夾具和有夾具的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是處于同一實(shí)驗(yàn)條件下，唯一區(qū)別在于有無(wú)夾具夾持。其中，圖2(a)和圖2(c)是無(wú)夾具下的宏觀(guān)和顯微圖；圖2(b)和圖2(d)是有夾具下的宏觀(guān)和顯微圖。由圖2可看出，無(wú)夾具時(shí)焊縫不均勻、焊印較淺，焊縫中以及焊縫周?chē)休^多氣泡，導(dǎo)致焊接質(zhì)量低。而有夾具的情況下，焊縫均勻，焊印清晰，且其中無(wú)氣泡。通過(guò)拉力試驗(yàn)檢測(cè)，有夾具要遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)夾具條件下的焊接強(qiáng)度。因此，有無(wú)適當(dāng)?shù)膴A緊力對(duì)半導(dǎo)體激光塑料焊接結(jié)果影響較大。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使激光器功率分別為5 W，10 W，15 W，20 W。焊接速度范圍控制在5～40 mm/s。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，此處以焊接功率P=10 W的焊接條件為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖3 PMMA焊接宏觀(guān)效果圖

圖3是對(duì)應(yīng)一組光斑直徑Φ=1.6 mm，焊接功率P=10 W，焊接速度v=5 mm/s,10 mm/s，20 mm/s和30 mm/s的焊縫宏觀(guān)照片。其中，圖3(a)的焊縫最寬，且焊縫中有諸多氣泡，同時(shí)焊接過(guò)程中伴隨產(chǎn)生難聞的塑料分解氣味。圖3(b)和圖3(c)的焊縫寬度依次逐漸減小，其中圖3(b)中的焊縫中間有一條白色細(xì)線(xiàn)，這其實(shí)是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡連結(jié)在一起，這在一定程度上影響了焊接效果。而圖3(c)焊接效果最佳，幾乎沒(méi)有氣泡，焊縫也較為均勻。圖3(d)中焊縫只能看到較淡的焊印，說(shuō)明上下層材料只是粘結(jié)而并未焊接在一起。

圖4 焊縫俯視圖

圖5 焊縫橫截面圖

圖4是在電子顯微鏡下觀(guān)察出的焊縫俯視效果圖，圖5則是用高倍率照相機(jī)拍攝出的焊縫橫截面效果圖。在圖5(a)中間位置可大致看出，焊縫的寬度和高度，后面3種條件下這兩個(gè)參數(shù)逐次減小。在圖5(b)中就看到，焊縫中的白色細(xì)線(xiàn)是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的連續(xù)氣泡。這與在圖3(b)中觀(guān)察到的情況一致。圖5(c)中沒(méi)有氣泡，焊縫連續(xù)，屬于焊接效果好的情況。而在圖5(d)中只能看到部分焊縫，大部分是處于脫焊狀態(tài)，說(shuō)明沒(méi)有焊牢。隨后用彈簧拉力計(jì)做初步的拉力測(cè)試來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，其中圖5(c)對(duì)應(yīng)的焊接試件所需拉力最大，為237 N。綜合圖3～圖5可得，在焊接功率P=10 W，光斑直徑Φ=1.6 mm，且焊接過(guò)程中離焦量為零時(shí)，透明PMMA和黑色PMMA的最佳焊接速度v=20 mm/s。與之對(duì)應(yīng)的能量密度ED=0.313 J/mm2。

此外，還分別進(jìn)行焊接功率P=5 W，10 W和20 W的工藝實(shí)驗(yàn)，同樣方法分別得到相應(yīng)的優(yōu)秀工藝參數(shù)組合為：

(1)焊接速度P=5 W，光斑直徑Φ=1.6 mm時(shí)，焊接速度為v=7.5 mm/s，焊接效果最佳，對(duì)應(yīng)的能量密度ED=0.417 J/mm2;

(2)焊接速度P=15 W，光斑直徑Φ=1.6 mm時(shí)，焊接速度為v=7.5 mm/s，焊接效果最佳，對(duì)應(yīng)的能量密度ED=0.375 J/mm2;

(3)焊接速度P=20 W，光斑直徑Φ=1.6 mm時(shí)，焊接速度為v=7.5 mm/s，焊接效果最佳，對(duì)應(yīng)的能量密度ED=0.357 J/mm2。

繼續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)功率提高到30 W以上時(shí)，焊接效果有所下降，會(huì)出現(xiàn)速度過(guò)慢，形成過(guò)燒，塑料會(huì)大量分解伴隨難聞氣體產(chǎn)生，或是速度過(guò)快，焊縫過(guò)細(xì)過(guò)淺，兩層塑料無(wú)法焊接到一起。究其原因，雖焊接功率足夠加熱下層塑料使其熔化，但正是由于功率較大，為了不使PMMA受熱分解，則需使焊接速度較快，這樣就導(dǎo)致加熱時(shí)間過(guò)短，黑色PMMA吸收的熱量來(lái)不及傳導(dǎo)到透明PMMA中使其熔化。因此可發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行塑料焊接過(guò)程中，PMMA對(duì)焊接功率是有一定要求的，在該激光器條件下，焊接功率最好不要超過(guò)30 W。

5 結(jié)束語(yǔ)

在激光透射焊接原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明了激光焊接塑料方法的可行性，以及適當(dāng)?shù)膲壕o力對(duì)塑料焊接的重要性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)焊縫的形貌觀(guān)察及初步拉伸試驗(yàn)的檢測(cè)，得到一系列優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)參數(shù)，例如在光斑直徑Φ=1.6 mm，且離焦量為零時(shí)，焊接功率P=10 W，焊接速v=20 mm/s為一組優(yōu)秀工藝參數(shù)。而在不同焊接功率下，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)能量密度不同。此外還得出，PMMA的焊接功率范圍是有上限的，基于本文所用的激光器，應(yīng)不超過(guò)30 W。

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Techniques of Plastic Welding by Diode Laser

Plastic welding experiments with a 50 W diode laser device were performed with transparent and opaque PMMA as experimental materials. The best combination range of technique parameters for PMMA is found from different process welding experiments designed by controlling the variables. The experiments show that one of many best technique parameters combinations is a welding power of 10 W, a welding velocity of 20 mm/s and a spot diameter of 1.6mm, and that the PMMA welding power should be no more than 30 W under the circumstance of this article.

plastic welding; diode laser; PMMA; technique parameters

2015- 12- 28

蔡錦達(dá)(1963-)，男，教授。研究方向：機(jī)電一體化。李翔(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：塑料材料激光加工。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.040

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1007-7820(2016)10-140-04