王毅，許貴陽

304不銹鋼與PA66塑料激光焊接工藝研究

王毅，許貴陽

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南南陽 473000）

研究304不銹鋼和PA66（尼龍）的焊接工藝，提高焊縫剪切強度。采用500 W光纖激光器對異種材料進行搭接焊接實驗，對激光功率、焊接速度、離焦量、焊接次數(shù)進行四因素四水平正交實驗，并且測試焊縫剪切強度。當激光功率為350 W，焊接速度為600 mm/s，離焦量為1 mm，焊接次數(shù)為3時，焊縫剪切強度達到最大的58 MPa。極差分析結(jié)果表明，影響焊縫剪切強度的因素依次為激光功率、離焦量、焊接速度、焊接次數(shù)。微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，焊縫在PA66塑料側(cè)呈現(xiàn)韌性斷裂；在304不銹鋼側(cè)呈現(xiàn)韌性脫落，塑料和不銹鋼有緊密的貼合，這種結(jié)構(gòu)有利于提高焊縫的剪切強度。

304不銹鋼；PA66塑料；激光焊接；工藝研究；微觀結(jié)構(gòu)

304不銹鋼具有良好的抗耐蝕性以及耐磨性[1-2]，PA66（尼龍）具有耐腐蝕、質(zhì)量輕以及強度大等優(yōu)點[3-4]，2種材料在生活和工業(yè)中都被廣泛應用。為充分發(fā)揮每種材料的優(yōu)勢，將2種材料連接，形成結(jié)構(gòu)件，達到需要的功能。由于金屬與塑料之間的物理性能如熱膨脹系數(shù)、熔點等存在較大差異，兩者之間的連接有較大困難[5-6]。傳統(tǒng)的連接方式通常是膠水粘結(jié)和機械連接，但是這種連接接頭強度不高，且壽命不長[7-8]。

焊接是原子之間、分子之間或者原子與分子之間的結(jié)合，具有較強的焊縫強度、長的焊縫壽命以及良好的密封性[9-10]，而傳統(tǒng)的焊接方式主要是熱板焊接，存在熱輸入量大的問題，容易損傷材料外觀以及產(chǎn)生熱變形等問題。激光焊接技術(shù)是采用能量集中的激光束對焊縫進行局部加熱，熱輸入量相對較小，在金屬與金屬或者塑料與塑料的焊接中得到廣泛應用[11-14]。塑料與金屬異種材料的焊接研究處于起步階段，如黃磊等[15]采用激光將304不銹鋼與PET進行焊接，并對其性能進行了研究，得到焊縫最大抗拉強度為12.67 MPa。黃怡潔等[16]對塑料PMMA與304不銹鋼進行了激光焊接研究，到目前，未見有對304不銹鋼與PA66塑料激光焊接的報道出現(xiàn)。

文中采用光纖激光器對日常生活生產(chǎn)中常見的304不銹鋼與PA66塑料進行焊接實驗，通過工藝實驗得到最佳的焊接效果，并且對影響因素及焊縫結(jié)構(gòu)進行分析，為實際生產(chǎn)提供實驗參考。

1 實驗

1.1 材料

待焊材料為304不銹鋼和PA66塑料，板材尺寸為200 mm×100 mm×1 mm，PA66塑料與304不銹鋼的物理參數(shù)如表1所示，在材料密度、熱導率以及熔點等方面的差異較大。PA66塑料為透明材料，對光的透過率為95%。采用PA66在上、304不銹鋼在下的方式進行搭接焊接，激光透過上層的PA66塑料，作用在下層的304不銹鋼上，激光能量被吸收后，產(chǎn)生熱量，將低熔點的塑料熔化，激光離開后，熔化的塑料冷卻，與不銹鋼熔合在一起。

表1 304不銹鋼與PA66塑料的物理參數(shù)

1.2 設備

采用光纖激光器作為焊接光源，最大激光輸出功率為500 W，波長為1064 nm，激光器由武漢銳科激光公司提供，型號為RLF-C500，激光束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后在三維運動平臺上運動，對材料進行焊接加工。采用微機控制的電子萬能試驗機測試焊縫接頭的剪切強度，由珠海三思泰捷公司提供，型號為CMT4102，實驗平臺如圖1所示。

圖1 實驗平臺

2 工藝實驗結(jié)果及分析

2.1 影響因素

根據(jù)大量預實驗結(jié)果可知，影響PA66塑料與304不銹鋼激光焊縫剪切強度的主要工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度、離焦量以及焊接次數(shù)。當激光功率較低時（低于200 W），激光產(chǎn)生的熱量無法達到塑料的熔點，這種情況下，焊縫幾乎沒有剪切強度；當激光功率過高（高于450 W）時，產(chǎn)生的溫度過高，上層塑料容易碳化，剪切強度降低。焊接速度對焊縫上的熱量累積起到重要作用，當焊接速度過慢，熱量累積較大，塑料過熱產(chǎn)生碳化；當焊接速度超過700 mm/s時，熱量累積不夠，沒有將塑料熔化充分，這2種情況下，焊縫剪切強度均較低。激光焦點處的光斑最小，功率密度最高，作用在不銹鋼材料表面上時，容易將不銹鋼材料氣化，導致剪切強度低，一般需要激光焦點與材料表面保持一定距離，即離焦量。激光焦點在材料表面時，離焦量為0，激光焦點在材料表面以下為負離焦，文中設置不同的負離焦量，來降低激光作用在材料表面的功率密度，減少不銹鋼材料的氣化。當焊接次數(shù)為1時，由于塑料與不銹鋼熔合不夠充分，焊縫剪切強度較小，當焊接次數(shù)為4時，焊縫表面有輕微燒傷的痕跡，這是因為熱量累積太大，將材料部分碳化，焊縫剪切強度降低。根據(jù)預實驗結(jié)果，對激光功率、焊接速度、離焦量以及焊接次數(shù)進行四因素四水平正交實驗，如表2所示。

表2 因素水平表

2.2 正交實驗結(jié)果

根據(jù)表2進行四因素四水平正交實驗設計，得到16組焊接參數(shù)組合，對焊縫進行剪切強度測試，表3為16組焊接參數(shù)以及對應的剪切強度。由正交實驗結(jié)果可知，12#為正交實驗的最佳工藝參數(shù)，當激光功率為350 W，焊接速度為600 mm/s，離焦量為1 mm，焊接次數(shù)為3時，焊縫接頭剪切強度達到最大的58 MPa，優(yōu)于黃磊等[15]采用激光焊接的304不銹鋼與PET焊縫（抗拉強度為12.67 MPa）。由于每次焊接的速度較快，為600 mm/s，不會降低生產(chǎn)效率，也不會增加生產(chǎn)成本。

表3 正交實驗結(jié)果

在16組正交實驗中，激光功率A取水平1（A=250 W）的共有4組實驗，將這4組實驗的焊縫剪切強度累加得統(tǒng)計量1=106。同理將其他因素在各水平下的焊縫剪切強度進行疊加，結(jié)果如表4所示。表4的極差值是同一因素在四水平下的最大值與最小值之差，值越大，表明該因素對焊縫剪切強度的影響大；反之，值越小，表明該因素對焊縫剪切強度的影響小?？梢钥闯?，對焊縫剪切強度的影響因素由主到次依次為：激光功率、離焦量、焊接速度、焊接次數(shù)。

表4 正交實驗焊縫寬度的直觀分析表

對正交實驗的焊縫外觀進行分析，實驗1#的焊縫痕跡比較輕微，中間出現(xiàn)了焊縫不連續(xù)的現(xiàn)象，如圖2a所示，這是因為激光功率為250 W，熱量累積不夠，塑料熔化程度不夠，這種情況下，焊縫的剪切強度較低，實驗2#，3#，4#的外觀與其一樣。實驗5#的焊縫痕跡沒有不連續(xù)的現(xiàn)象，但是焊縫寬度不均勻，如圖2b所示，這是因為激光功率為300 W時，熔化的塑料未進一步鋪展開，焊縫寬度較窄，導致焊縫剪切強度較低，實驗6#，7#，8#的外觀與其一樣。實驗9#的焊縫痕跡連續(xù)，且寬度一致均勻，如圖2c所示，激光功率為350 W時，下層不銹鋼吸收的熱量足夠?qū)⑸蠈拥乃芰线M行充分的熔化，形成均勻一致的焊縫軌跡，焊縫剪切強度最大，實驗10#，11#，12#的外觀與其類似。實驗13#有發(fā)黑現(xiàn)象，如圖2d所示，激光功率為400 W時，下層不銹鋼吸收的熱量過大，將部分塑料碳化，產(chǎn)生黑煙，這種情況下，焊縫剪切強度較低，實驗14#，15#，16#的外觀與其類似。

圖2 焊縫外觀

2.3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

對正交實驗的最佳工藝參數(shù)（激光光平均功率為350 W，焊接速度為600 mm/s，離焦量為1 mm，焊接次數(shù)為3）的焊縫進行剪切強度測試，然后對焊縫微觀結(jié)構(gòu)進行分析，焊縫斷裂發(fā)生在塑料/不銹鋼界面處，圖3a為塑料一側(cè)，表面像脊骨一樣，且有韌窩，這是塑料母材被撕裂的狀態(tài)，表現(xiàn)出韌性斷裂，表明塑料與不銹鋼有較強的粘合度。圖3b為不銹鋼一側(cè)，表面的大部分區(qū)域有塑料殘留，這是因為部分塑料粘連在不銹鋼上，部分塑料從不銹鋼材料表面脫落，表現(xiàn)出了塑料的韌性脫落，這種焊縫在塑料側(cè)的韌性斷裂及在不銹鋼側(cè)的韌性脫落有利于提高焊縫的剪切強度。

圖3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

采用500 W光纖激光器對PA66塑料與304不銹鋼進行搭接焊接實驗，通過正交實驗，在最佳工藝參數(shù)條件下，下層不銹鋼吸收的熱量足夠?qū)⑸蠈拥乃芰线M行充分熔化，形成均勻一致的焊縫軌跡，此時焊縫剪切強度最大。

對剪切強度測試后的焊縫微觀結(jié)構(gòu)進行分析，焊縫中靠近塑料一側(cè)有韌窩，表現(xiàn)出韌性斷裂，焊縫中靠近不銹鋼一側(cè)表現(xiàn)出韌性脫落，這種形式有利于提高焊縫的剪切強度。

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Laser Welding Technology for 304 Stainless Steel and PA66 Plastic

WANG Yi, XU Gui-yang

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

The work aims to study the welding technology for stainless steel 304 and PA66 (nylon), so as to improve the weld shear strength. 500 W fiber laser was used to carry out welding experiment on dissimilar materials. Four-factor and four-level orthogonal experiments were carried out on laser power, welding speed, defocusing amount and welding times, and the shear strength of weld was tested. When laser power was 350 W, welding speed was 600 mm/s, defocusing amount was 1 mm, and welding times was 3, the shear strength of weld reached 58 MPa. Range analysis results showed that factors affecting the shear strength of weld were laser power, defocusing amount, welding speed and welding times in sequence. Microstructure analysis results show that welds present ductile fracture on the plastic side and ductile detachmenton side of 304 stainless steel. Plastic and stainless steel are fitted closely, which is beneficial for improving the shear strength of welds.

304 stainless steel; PA66 plastic; laser welding; technology research; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.023

TG456.7

A

1674-6457(2022)01-0182-05

2021-03-08

河南省科技廳重點科技攻關(guān)項目（162102310363）

王毅（1979—），男，碩士，講師，主要研究方向為光電技術(shù)及其應用。