趙海發(fā)，李小偉

環(huán)形光斑激光塑料焊接工藝研究

趙海發(fā)，李小偉

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 454650）

為了提高塑料焊接焊縫的剪切強(qiáng)度，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。采用環(huán)形光斑進(jìn)行激光焊接試驗，通過對激光功率、焊接速度、離焦量工藝參數(shù)進(jìn)行三因素三水平正交試驗，得到最佳工藝參數(shù)。在最佳工藝參數(shù)條件下，即激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm時，PA66塑料焊縫最大剪切強(qiáng)度為21.6 MPa。焊縫切片分析結(jié)果表明，環(huán)形光斑激光焊縫的熔深均勻一致，內(nèi)部無氣孔產(chǎn)生。正交試驗的極差分析結(jié)果表明，對焊縫剪切強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為離焦量、激光功率、焊接速度。

環(huán)形光斑；激光焊接；塑料；工藝研究

PA66塑料（俗稱尼龍材料，化學(xué)名為聚己二酰己二胺）具有生產(chǎn)成本低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于各種機(jī)械和電器零件，例如機(jī)械軸承、水泵葉輪、葉片、高壓密封圈等[1—5]。為節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，需要將塑料注塑成簡單的結(jié)構(gòu)，然后通過焊接成為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的產(chǎn)品[6]。

塑料焊接的方式主要有熱板焊接、超聲波焊接以及激光焊接等[7—9]，因為激光與產(chǎn)品不接觸，不會對塑料表面產(chǎn)生物理壓傷；激光焊接過程中無振動，不會對產(chǎn)品產(chǎn)生振動損傷，對于內(nèi)部有電子元器件或者玻璃的產(chǎn)品，激光焊接有較大的應(yīng)用前景[10—13]，汽車車燈、汽車油管上的塑料結(jié)構(gòu)目前大多采用激光焊接方式，如王蕾[14]采用激光對汽車油管PE塑料進(jìn)行了焊接工藝研究。

普通激光聚焦光斑的能量分布情況為：能量在光斑中心強(qiáng)，在光斑邊緣弱。在焊接過程中，焊縫中間加熱溫度高，而焊縫兩側(cè)加熱溫度低，在塑料焊縫的中心容易出現(xiàn)燒蝕、氣孔等缺陷，而焊縫兩側(cè)的熔深較低，這樣的焊縫剪切強(qiáng)度較低。近年來，激光的應(yīng)用日趨廣泛，對于光束整形的技術(shù)也越來越成熟，其中衍射光學(xué)元件具有厚度薄、質(zhì)量輕、易于復(fù)制等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為激光束整形領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，例如徐俊中等[15]通過不同的設(shè)計得到了用于激光束整形的衍射光學(xué)元件。截至目前，未見有采用衍射光學(xué)得到的環(huán)形激光光斑對塑料進(jìn)行焊接的報道出現(xiàn)。

文中采用環(huán)形激光光斑對PA66塑料進(jìn)行焊接，通過正交試驗，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到剪切強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 試驗

1.1 設(shè)備

采用武漢銳科激光公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，激光器最大功率為100 W，波長為915 nm，光纖芯徑為0.2 mm，冷卻方式為水冷，激光器集成在控制機(jī)柜內(nèi)，與激光加工頭、運(yùn)動控制系統(tǒng)組成焊接試驗平臺，如圖1a所示。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過加工頭聚焦后，形成圓形光斑，激光加工頭主要由準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡組成。文中采用在準(zhǔn)直鏡與聚焦鏡之間增加整形鏡片的方式得到環(huán)形光斑，光路如圖1b所示，其中整形鏡片為衍射光學(xué)鏡片，這種鏡片設(shè)計加工簡單，成本低，在激光加工領(lǐng)域較成熟[15]。

圖1 焊接試驗平臺圖及光路

1.2 材料

材料為PA66，俗稱尼龍材料，厚度為2.00 mm，將材料切割成尺寸為100 mm×50 mm的板材，材料的性能參數(shù)見表1，上層材料為白色，透光率為85%，下層材料為黑色，透光率為20%，進(jìn)行搭接焊接，這樣激光可以透過上層塑料，激光能量被下層塑料吸收，然后在上下塑料界面處形成焊縫，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。采用拉力機(jī)的夾頭夾住材料的兩端，對焊縫進(jìn)行剪切力測試，為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組參數(shù)測試3個樣品，剪切力的平均值即為該組工藝參數(shù)的剪切力。剪切強(qiáng)度=剪切力/焊縫面積，其中焊縫面積為焊縫寬度×焊縫長度。

表1 材料性能參數(shù)

Tab.1 The characteristic parameters of plastic

2 方法與結(jié)果分析

2.1 預(yù)試驗設(shè)計

經(jīng)過前期大量預(yù)試驗，影響焊縫剪切強(qiáng)度的主要工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度以及離焦量。激光功率決定了輸入熱量的總量，當(dāng)激光功率較低時，塑料不足以熔化，無法形成焊縫或者焊縫熔深較淺，焊縫剪切強(qiáng)度較低，反之，功率過高，焊縫將被碳化，焊縫剪切強(qiáng)度將迅速降低。焊接速度是激光束在焊縫上的運(yùn)行速度，焊接速度越低，熱量堆積越大，焊接速度越高，熱量堆積將較小。離焦量是指激光束的焦點(diǎn)與工件之間的距離，離焦量為0時（激光焦點(diǎn)作用在工件表面上），環(huán)形光斑外徑為5.0 mm，內(nèi)徑為0.6 mm，環(huán)形光斑能量分布如圖2a所示，光斑中心位置的激光能量分布較多。在塑料焊接過程中，由于熱量的累積，焊縫中心區(qū)域的熔深將較大，但是焊縫邊緣的熔深將較低，這樣焊縫的熔深一致性較差，可能會降低焊縫的剪切強(qiáng)度。隨著離焦量的增加，環(huán)形光斑的內(nèi)徑將逐漸增加，這樣在塑料激光焊接過程中，激光產(chǎn)生的熱量不會在焊縫中心位置進(jìn)行過多的積累，使整個焊縫的溫度基本一致，這樣焊縫的深度也將更加一致。當(dāng)離焦量為5 mm時，環(huán)形光斑的外徑為5.0 mm，內(nèi)徑為1.5 mm，如圖2b所示；當(dāng)離焦量為10 mm時，環(huán)形光斑的外徑為5.0 mm，內(nèi)徑為2.5 mm，如圖2c所示。

為了研究工藝參數(shù)對焊縫剪切強(qiáng)度的影響，對激光功率、焊接速度以及離焦量進(jìn)行三因素三水平正交試驗，工藝參數(shù)如表2所示。

表2 因素水平表

Tab.2 Orthogonal factor level tables

2.2 正交試驗設(shè)計

依據(jù)三因素三水平正交試驗表進(jìn)行了9組焊接試驗，對焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，正交試驗的各個因素組合及焊縫剪切強(qiáng)度測試結(jié)果如表3所示。由正交試驗結(jié)果得知，當(dāng)激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm時，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最高的21.6 MPa，達(dá)到PA66塑料母材強(qiáng)度的95%，此為正交試驗的最佳工藝參數(shù)。

表3 正交試驗結(jié)果

Tab.3 Results of orthogonal tests

對焊縫進(jìn)行切片分析，試驗1#的焊縫截面如圖3a所示，激光功率為40 W，產(chǎn)生的熱量較低，焊縫熔深較低，試驗2#與其一樣；試驗3#的焊縫截面如圖3b所示，熔深也較低，雖然焊接速度和離焦量不同，但是試驗1#，2#，3#的焊縫狀態(tài)基本一致，說明在功率較低時，激光功率在起主要作用，因為熔深較低，整體焊縫剪切強(qiáng)度均較低。試驗4#的焊縫截面如圖3c所示，焊縫中心熔深較深，但是整個焊縫寬度范圍內(nèi)，熔深的一致性較差。試驗5#的焊縫截面如圖3d所示，焊縫深度不均勻，焊縫中心區(qū)域明顯很深，但是焊縫邊緣區(qū)域較淺，這可能是由于離焦量為0，環(huán)形光斑直徑較小，激光能量主要集中在焊縫中心，光斑邊緣的能量較弱。試驗6#的焊縫截面如圖3e所示，焊縫深度均勻一致，內(nèi)部無氣孔產(chǎn)生，焊縫中心與邊緣的深度幾乎一致，這可能是離焦量為5 mm時，激光能量在環(huán)形光斑內(nèi)分布均勻，這種情況下，焊縫的剪切強(qiáng)度最大。試驗7#的焊縫截面如圖3f所示，激光功率增加到60 W，焊接速度為50 mm/s，熱輸入量過高，且熱量累積高，在焊縫中可以看到黑色孔洞，這可能是溫度太高，達(dá)到了塑料的熱分解溫度，導(dǎo)致焊縫處的高分子材料發(fā)生裂解，產(chǎn)生氣體，進(jìn)而在焊縫中留下氣孔，這種情況下，焊縫的剪切強(qiáng)度將急劇降低，試驗8#和9#的焊縫內(nèi)部也有輕微的氣孔。

2.3 正交試驗結(jié)果分析

9組試驗中，因素激光功率取水平1的共有3組試驗，將這3組試驗的焊縫剪切強(qiáng)度累加計為1，因素激光功率取水平2的3組焊縫剪切強(qiáng)度累加計為2，因素激光功率取水平3的3組焊縫剪切強(qiáng)度累加計為3，值越大，表明在該因素的水平下得到的焊縫剪切強(qiáng)度越大。用同樣的方法將3個因素分別在三水平下的焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行累加，由值可知，在A2B3C2參數(shù)組合下（激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm），焊縫的剪切強(qiáng)度最大。用表示在這個因素下的極差值，結(jié)果如表4所示。值越大，表明該因素對焊縫剪切強(qiáng)度的影響大，由表4可知，對焊縫剪切強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為離焦量、激光功率、焊接速度。

圖3 焊點(diǎn)截面

表4 正交試驗直觀分析表

Tab.4 Visual analysis table of orthogonal test

3 結(jié)論

1）通過調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)與工件之間的距離，來調(diào)節(jié)環(huán)形光斑的尺寸。環(huán)形光斑的內(nèi)徑增加，激光產(chǎn)生的熱量不會在焊縫中心位置進(jìn)行過多的積累，整個焊縫的溫度基本一致，焊縫的深度也一致。

2）當(dāng)激光功率為50 W，焊接速度為150 mm/s，離焦量為5 mm時，PA66塑料焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的21.6 MPa，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

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Technical Study on Ring Laser Beam Welding of Polymer Materials

ZHAO Hai-fa, LI Xiao-wei

(Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 454650, China)

In order to improve the shear strength of plastic welding seam and meet the requirements of actual production, the laser welding experiment was carried out by using ring laser spot, and the optimal process parameters were obtained through three-factor and three-level orthogonal experiment on the process parameters of laser power, welding speed and defocusing. Under the obtained optimal process parameters, the maximum shear strength of PA66 plastic weld was 21.6 MPa, i.e., the laser power was 50 W, the welding speed was 150 mm/s, and the defocusing was 5 mm. The analysis of cross section of welds showed that the penetration depth of welds was uniform and there was no porosity in the welds, which was welded by the ring laser beam. The range analysis results of orthogonal experiment showed that the influence factors on the shear strength of welds was defocusing, laser power and welding speed in order from primary to secondary.

ring laser beam; laser welding; polymer materials; technical study

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.025

TG456.7

A

1674-6457(2021)03-0188-05

2021-03-22

趙海發(fā)（1979—），男，碩士，副教授，主要研究方向為智能控制。