徐 亮， 戴 婷， 陳 濤， 匡 莉

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201799）

激光透射法焊接時，激光穿過透光層塑料，被吸光性塑料吸收，通過加熱使界面處發(fā)生熔融或軟化，同時在壓力的作用下聚合物分子鏈通過界面進行擴散形成鏈纏結，并最終形成牢固的連接[1-2]。塑料激光焊接強度影響因素較多，首先聚合物材料對激光的特性，聚合物材料和激光的相互作用機理，焊接材料之間的相容性，以及聚合物材料本身的熱力學等特性都會影響焊接強度；其次焊接工藝的選擇也將會在一定程度上影響焊接強度，如焊接過程中速度、加速度、焊接壓緊力、焊接功率、激光器種類等因素[3-4]。為了能夠使得PP材料具有較高的焊接強度，采用科學的方法增加PP材料激光焊接的強度是至關重要的。

目前多采用控制變量法進行塑料激光焊接工藝方面的研究，但是不同工藝之間相互影響，利用該種方法缺乏科學的驗證和統(tǒng)計學支撐。同時對于PP原材料結構特點及其樣品厚度對焊接強度的影響研究較少。本文采用實驗設計（DOE）的方法，提出了增加PP原材料焊接強度的科學的實驗方案，改善了PP材料焊接工藝。實驗設計方法在質量控制的整個過程中扮演了非常重要的角色，可以減少實驗次數(shù)，縮短實驗時間和避免盲目性，又能夠迅速得到有效的實驗結果[5-6]。

本研究的目的在于通過 DOE實驗設計的方法找出影響 PP材料焊接強度的主要的因素，確定最佳的PP材料的焊接工藝，達到最佳的焊接強度，為后期的PP材料在激光焊接方向的應用提供探究思路。

1 實驗

1.1 材料及設備

透光材料為兩種不同聚合方式的PP原材料，第一種為共聚PP，牌號為M60RHC，另一種為均聚PP，牌號為 S700，通過注塑成型制備對應尺寸的激光焊接樣條。尺寸為 127 mm×12.7 mm×2.0 mm 和127 mm×12.7 mm×3.2 mm。吸光材料為改性PP材料。由于添加了炭黑，則能夠很好地作為吸收材料。具體試樣尺寸為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樣品尺寸設計表

大族100 W光纖傳輸激光焊接，波長為915 nm，光斑直徑為光斑直徑為0.4 mm。采用三軸連動使焊接更具有靈活性。

1.2 焊接工藝流程

焊接工藝流程如圖1所示，上層選用白色PP燃燒板作為透射材料，下層黑色板由于添加炭黑作為吸收材料，通過氣壓調節(jié)閥控制A和B兩夾緊裝置的夾緊力，以達到吸收激光能量，融化PP燃燒板，在夾緊力的作用下，熔融兩接觸板，形成焊縫。

圖1 激光透射焊接示意圖

1.3 力學性能實驗

電子萬能試驗機（德國ZWICK 10kN）測定不同工藝條件下焊接樣條的焊接強度T。由公式（1）計算焊接強度T，對5個試樣的測定結果取算術平均值作為力學性能數(shù)據(jù)。

式中：T為焊接強度，MPa；Fmax為所測的最大剪切力，N；A為試樣的原始橫截面積，mm2。

2 結果與討論

2.1 實驗因子確定

在PP材料激光焊接的過程中，激光功率的選擇決定了焊接時的能量輸入，進而可以控制焊縫成型，提高焊接功率會導致更高的能量累積，得到較大較寬焊縫；氣壓加緊力決定了A和B兩夾緊裝置給透光PP和吸光PP材料施加的壓力，有利于兩接觸層之間的聚合物分子鏈在焊縫區(qū)域更好的進行鏈纏結；原材料的種類的不同光學透過率，熱力學性能等都與激光之間存在相互作用，會對塑料焊接的強度存在一定的影響；樣品的厚度會影響到激光投過上層的透光PP材料后剩余的激光能量，也會影響PP材料之間的激光焊接強度。因而選擇了焊接功率、氣壓夾緊力、原材料種類、樣品厚度四個影響因子。

2.2 確定水平

每個影響因子各取兩個水平。其中：焊接功率：20 W（低），40 W（高）；氣壓夾緊力：0.1 MPa（低），0.3 MPa（高）；原材料種類：M60RHC（低），S700（高）；樣品厚度：2.0 mm（低），3.2 mm（高）。

2.3 列出全因子實驗設計表

使用Minitab軟件根據(jù)DOE實驗設計的方法，列出4因子2水平的全因子實驗設計表，如下表2所示。

表2 4因子2水平的全因子實驗設計表

2.4 全因子實驗結果

采用表2 （4因子2水平的全因子實驗設計表）DOE全因子實驗設計方案進行PP材料焊接工藝實驗，按照表2的運行序分別進行DOE全因子實驗。按照圖1的搭接方式，將樣品置于三軸聯(lián)動臺上，利用氣壓調節(jié)閥控制A與B兩板之間的夾緊力，燃燒樣條采用不同的注塑模具得到厚度差異的標準尺寸（厚度分別為2 mm和3.2 mm）。設置激光焊接的程序，控制激光焊接的速度為20 m/s，焊接加速度為20 m/s2，焊接結束后，保持10 s穩(wěn)定時間，確保其接觸面在夾緊狀態(tài)下進行冷卻。完成DOE設計的全因子實驗設計后，將得到的不同焊接工藝下的焊接樣條利用10 kN的電子萬能試驗機進行激光焊接強度測試。不同焊接工藝條件下得到的焊接強度如表3所示。

表3 全因子實驗方案

從表1實驗結果可以看出，選擇不同的氣壓壓緊強度、不同的焊接功率，都會對PP材料的焊接強度產生一定的影響。同時不同的PP材料的種類，以及利用注塑成型制備的不同PP材料厚度的燃燒板，都在一定程度上影響了激光焊接的強度。

2.5 全因子實驗結果分析

2.5.1 全殘差分析

由圖 2分析可知：1）從殘差與擬合值圖和殘差觀測值順序圖看出，其點隨機分布在中心線兩側；2）殘差正態(tài)圖反映出一條直線，因此所有的殘差都是正態(tài)分布。

圖2 響應焊接強度的殘差診斷四合一圖：（A）正態(tài)概率圖；（B）與擬合值；（C）直方圖；（D）與順序

2.5.2 主效應及交互作用分析

從DOE全因子實驗結果分析，包括氣壓夾緊力、原材料種類、焊接功率以及燃燒樣條的厚度都對焊接強度存在影響。在主效應圖中可以看出，采用不同模具注塑得到的不同厚度的燃燒樣條與焊接強度之間體積分數(shù)相關性非常顯著，氣壓夾緊力和原材料的種類也在一定程度上影響PP材料的焊接強度。而焊接功率的高低水平對于選擇的PP材料的焊接強度影響相對較小。在焊接強度交互作用圖中，發(fā)現(xiàn)樣品的厚度和焊接功率、氣壓夾緊力和樣品厚度、氣壓夾緊力和焊接功率這三組組合，兩者效應線明顯不平行，特別是樣品的厚度和焊接功率兩者的效應曲線發(fā)生交叉，說明該類因子組合的交互作用對輸出變量影響甚大。再結合標準化效應的正態(tài)圖以及標準化效應的Pareto圖，初步確定了氣壓夾緊力、原材料的種類、樣品的厚度以及焊接功率和樣品的厚度的交互作用，對PP材料的焊接強度的效應影響屬于顯著的。

圖3 （A）響應焊接強度的主效應圖；（B）響應焊接強度的交互作用圖

圖4 （A）響應焊接強度的標準化效應的正態(tài)圖；（B）響應焊接強度的標準化效應的Pareto圖

2.5.3 實現(xiàn)最優(yōu)化

圖5為焊接強度優(yōu)化器結果圖，從圖5可以看出，采用DOE實驗設計方案可以得到在所給定的四個因子中，以及因子之間的交互作用，確定選定的PP材料的最佳焊接工藝條件為：氣壓夾緊力選擇0.3 MPa，原材料種類選擇M60RHC，焊接功率選擇40 W，樣品厚度選擇2 mm時，采用此種焊接工藝條件，PP材料的焊接強度將會達到19.475 MPa。同時可以建立PP材料的焊接強度與各因子氣壓夾緊力、原材料種類、樣品厚度以及樣品厚度和焊接功率交互作用的回歸方程：PP材料焊接強度＝37.84＋10.50×氣壓夾緊力－2.2×原材料－0.344×焊接功率－8.83×樣品厚度＋0.1437×焊接功率×樣品厚度。因而根據(jù) DOE的實驗設計方法能夠方便的從復雜的焊接工藝中找到最優(yōu)的焊接方案，不需要完成大量的實驗。

圖5 焊接強度優(yōu)化器結果圖

3 結論

通過 DOE實驗設計的方法，能夠快速的從氣壓夾緊力、原材料的種類、焊接功率以及樣品厚度這四個因子中，確定出所選PP材料最佳的焊接工藝條件。穩(wěn)定控制氣壓夾緊力為0.3 MPa，選擇共聚PP，牌號M60RHC為原材料，焊接功率控制在40 W，樣品厚度為2 mm時，可以得到最佳的焊接工藝，焊接強度可以達到19.475 MPa。利用DOE對PP材料最佳焊接工藝的篩選的方法對于其他類型的改性塑料提供了思路，有利于激光焊接能夠更加快速的在汽車零部件材料方面得到廣泛的應用。