題園園

高速重復(fù)掃描激光塑料焊接工藝研究

題園園

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510900）

提高PA66塑料的焊縫剪切強(qiáng)度，達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。采用高速掃描振鏡對PA66塑料進(jìn)行掃描激光焊接，分析重復(fù)焊接次數(shù)對塑料焊縫外觀及剪切強(qiáng)度的影響，并且對焊縫截面進(jìn)行測試，分析工藝參數(shù)對焊縫截面的影響規(guī)律。通過對工藝參數(shù)（激光平均功率、重復(fù)焊接次數(shù)、焊接速度、離焦量）進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，得到焊縫剪切強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)。焊縫剪切強(qiáng)度最大為174 MPa，達(dá)到母材剪切強(qiáng)度的91%，對應(yīng)的最佳工藝參數(shù)為，激光平均功率為70 W，焊接速度為900 mm/s，離焦量為6 mm，重復(fù)掃描次數(shù)為30。影響焊縫剪切強(qiáng)度的主要參數(shù)為重復(fù)焊接次數(shù)，其次為焊接速度，再次為離焦量，最次為激光平均功率。采用高速重復(fù)掃描焊接，塑料每次吸收的激光能量較低，通過熱量逐漸積累而達(dá)到焊接的效果，可以有效解決塑料中雜質(zhì)產(chǎn)生的焊縫燒傷，而且焊縫軌跡更加均勻一致，提高了焊縫剪切強(qiáng)度，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

重復(fù)掃描；PA66塑料；激光焊接；工藝研究

采用焊接的方式將塑料件連接起來，可以提高焊縫強(qiáng)度、增加焊縫壽命長、增強(qiáng)密封性等[1-3]。塑料焊接傳統(tǒng)的方式主要有超聲波焊接以及熱壓板焊接，但是超聲波焊接有高頻振動(dòng)，容易對產(chǎn)品內(nèi)部的電子元器件產(chǎn)生振動(dòng)損傷，而且容易產(chǎn)生塑料碎末，影響產(chǎn)品的質(zhì)量；熱壓板焊接由于和產(chǎn)品直接機(jī)械接觸，可能會(huì)損傷焊縫表面，而且生產(chǎn)效率較低。激光焊接沒有振動(dòng)，且與產(chǎn)品非接觸，很好地避免了超聲波焊接和熱壓板焊接產(chǎn)生的問題，可以極大提高產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，是最理想的一種塑料焊接方式[4-6]。

隨著塑料焊接需求的增加，國內(nèi)外對塑料焊接的研究也越來越多[7-14]。陳志等[15]對近年來塑料激光透射焊接領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜述，并對塑料激光透射焊接技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測和展望。方濤等[16]采用波長為1700 nm的半導(dǎo)體激光器作為加工熱源，對透明材料FEP塑料進(jìn)行了焊接研究。韋宏等[17]對熱塑性材料焊接工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度以及離焦量做了優(yōu)化研究，分析了工藝參數(shù)對焊接效果的影響。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于塑料材料中少量雜質(zhì)的存在，激光焊接時(shí)，容易產(chǎn)生焊縫表面燒傷，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

文中采用高速重復(fù)掃描的方式，對PA66塑料進(jìn)行激光焊接，研究焊接工藝參數(shù)對焊縫外觀及剪切強(qiáng)度的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供有價(jià)值的技術(shù)參考。

1 產(chǎn)品要求及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 產(chǎn)品要求

選擇PA66塑料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的玻璃纖維進(jìn)行研究，在注塑前，未添加吸光劑時(shí)，為乳白色塑料，塑料對波長為900～1100 nm的激光透過率為40%，作為上層透光層材料。在塑料PA66+30%玻璃纖維（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）中，在注塑前，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的碳黑，此時(shí)為黑色塑料，對波長為900～1100 nm的激光透過率為5%，作為下層吸光層材料。將上下2層材料分別注塑成長×寬×厚為20 mm×40 mm×2 mm的板材，并用酒精擦洗，去除污垢。采用搭接方式進(jìn)行焊接，透光層材料在上，吸光層材料在下，激光能量被下層材料吸收，產(chǎn)生熱量，然后熱傳導(dǎo)到上層材料，使上、下層塑料結(jié)合，激光與材料的作用方式如圖1所示。

圖1 激光塑料焊接方式

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)

采用半導(dǎo)體激光器作為焊接熱源，品牌為武漢銳科激光，型號(hào)為LD-100，半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到40%，且半導(dǎo)體激光器的光束在聚焦光斑范圍內(nèi)能量分布均勻，可以對塑料進(jìn)行均勻加熱，使焊縫更加美觀一致。采用高速振鏡作為激光焊接工作臺(tái)，激光束可以在平面內(nèi)高速運(yùn)行，達(dá)到快速加熱焊接的目的，塑料焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2a所示。采用自制的夾具對上、下層塑料進(jìn)行壓緊，夾具的上蓋壓板為透光玻璃，底座為鋁合金材料，在氣缸的作用下，底座向上頂起，將塑料板材壓緊，保證焊接的一致性，夾具如圖2b所示。采用拉力機(jī)對焊縫進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，品牌為濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司，型號(hào)為WDH-10，如圖2c所示。

圖2 焊接及測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為了得到最佳的焊接工藝效果，對激光功率、焊接速度、離焦量、重復(fù)焊接次數(shù)進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，激光平均功率低于50 W時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度較低；激光平均功率大于80 W時(shí)，焊縫表面有輕微燒傷。焊接速度低于800 mm/s時(shí)，焊縫表面有輕微的燒傷痕跡；焊接速度大于1100 mm/s時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度較低。離焦量為0時(shí)，焊縫表面有輕微燒傷；離焦量大于6 mm時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度較低。重復(fù)焊接次數(shù)為10時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度較低；重復(fù)焊接次數(shù)為40時(shí)，焊縫表面有輕微燒傷。四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)的因素水平如表1所示。

表1 因素水平

Tab.1 Factors and levels

四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)中，共16組實(shí)驗(yàn)組合，焊縫剪切強(qiáng)度測試方法為：采用拉力機(jī)夾頭將產(chǎn)品兩端夾緊，拉力機(jī)對焊縫進(jìn)行拉伸，直到焊縫脫落，記錄下剪切力值，然后通過式（1）得到焊縫的剪切強(qiáng)度。

=/(1)

式中：為剪切強(qiáng)度；為剪切力；為焊縫面積。

正交實(shí)驗(yàn)組合及剪切強(qiáng)度結(jié)果如表2所示，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的174 MPa，達(dá)到母材剪切強(qiáng)度（190 MPa）的91%，即激光平均功率為70 W，焊接速度為900 mm/s，離焦量為6 mm，重復(fù)焊接次數(shù)為30時(shí)，為最佳工藝參數(shù)，對應(yīng)的工藝參數(shù)組合為A3B2C4D3，即實(shí)驗(yàn)編號(hào)10。

2.2 直觀分析

對正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行直觀分析，將因素A取水平1時(shí)的4組實(shí)驗(yàn)剪切強(qiáng)度進(jìn)行疊加，得到統(tǒng)計(jì)量記為1；同理，分別將因素A，B，C，D在各自水平下的剪切強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后將同一因素在不同水平時(shí)的最大值與最小值相減，得到極差值，記為，直觀分析及結(jié)果如表3所示。其中值越大，表明該因素對焊縫剪切強(qiáng)度的影響程度越高，從表3可知，影響焊縫剪切強(qiáng)度大小的主要參數(shù)為重復(fù)焊接次數(shù)，其次為焊接速度，再次為離焦量，最次為激光平均功率。

表2 正交實(shí)驗(yàn)

Tab.2 Results of orthogonal experiment

表3 正交實(shí)驗(yàn)直觀分析

Tab.3 Visual analysis of orthogonal experiment

2.3 焊縫外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

采用高速振鏡對焊縫重復(fù)掃描焊接，當(dāng)重復(fù)焊接次數(shù)為10時(shí)，焊縫外觀如圖3a所示，焊縫表面有明顯燒傷的痕跡，對焊縫燒傷位置進(jìn)行切片處理，焊縫內(nèi)部有明顯的碳化現(xiàn)象，如圖3d所示，這是因?yàn)楹附哟螖?shù)較少，需要較低的焊接速度，才能將材料焊接上，但是由于焊接速度較低，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量較大，材料溫度迅速升高，材料內(nèi)部低熔點(diǎn)的材料產(chǎn)生碳化，在焊縫表面留下燒傷痕跡。當(dāng)重復(fù)焊接次數(shù)為20時(shí)，焊縫外觀如圖3b所示，焊縫表面有輕微燒傷的痕跡，對焊縫燒傷位置進(jìn)行切片處理，焊縫內(nèi)部有輕微的碳化現(xiàn)象，如圖3e所示，這是因?yàn)楹附哟螖?shù)增加，焊接速度也相應(yīng)增加，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量較大，材料內(nèi)部低熔點(diǎn)的材料產(chǎn)生少量碳化，在焊縫表面留下少量的燒傷痕跡。當(dāng)重復(fù)焊接次數(shù)為30時(shí)，焊縫表面沒有燒傷，如圖3c所示，對焊縫進(jìn)行切片處理，焊縫內(nèi)部沒有碳化現(xiàn)象，如圖3f所示，這是因?yàn)楹附哟螖?shù)的增加，焊接速度也相應(yīng)增加，即可實(shí)現(xiàn)焊接，單次焊接產(chǎn)生的熱量較小，依靠多次重復(fù)焊接，使溫度緩慢升高，直到材料熔化形成焊縫，內(nèi)部低熔點(diǎn)的材料不會(huì)發(fā)生碳化，在焊縫表面不會(huì)產(chǎn)生燒傷痕跡。

圖3 不同重復(fù)焊接次數(shù)下焊縫外觀及切片

3 結(jié)論

通過激光功率、焊接速度、離焦量，掃描次數(shù)這4個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，得到最佳的焊接效果，即焊縫剪切強(qiáng)度最高。

針對PA66塑料焊接，采用高速振鏡對焊縫進(jìn)行快速重復(fù)掃描焊接，使單次焊接產(chǎn)生的溫度較低，依靠多次重復(fù)焊接，使溫度緩慢升高，直到材料熔化形成焊縫，內(nèi)部低熔點(diǎn)的材料不會(huì)發(fā)生碳化，在焊縫表面不會(huì)產(chǎn)生燒傷痕跡。

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High Speed Repeated Scanning Laser Welding Process for Plastics

TI Yuan-yuan

(Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510900, China)

The work aims to improve the shear strength of PA66 plastics welds, so as to meet the actual production requirements. The high speed scanning galvanometer was used to carry out scanning laser welding for PA66 plastics. The effects of repeated welding times on the appearance and shear strength of plastic welds were analyzed, and the cross section of welds was tested. Then, the effect of process parameters on cross section was analyzed. Four-factor and four-level orthogonal experiments were carried out to process parameters (laser power, repeated welding times, welding speed and defocus) to obtain the parameter for the maximum shear strength of the welds. The maximum shear strength of welds was 174 MPa, reaching 91% of the parent material strength. The corresponding optimal process parameters were average laser power of 70 W, welding speed of 900 mm/s, defocusing amount of 6 mm, and repeated scanning times of 30 times. The factors affecting the shear strength of the welds were repeated welding times, welding speed, and average laser power in the order of primary to secondary. With high speed repeated scanning welding, the laser energy absorbed by the plastic is low every time, and the welding effect is achieved through the gradual accumulation of heat, which can effectively solve the weld burn caused by impurities in the plastic, and the weld trajectory is more uniform and consistent, which improves the shear strength of the weld and meets the actual production requirements.

repeated scanning welding; PA66 plastics; laser welding; process research

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.013

TG456.7

A

1674-6457(2022)03-0102-05

2021-05-06

2021年校級質(zhì)量工程立項(xiàng)項(xiàng)目-教育教學(xué)改革項(xiàng)目（YJG202106）；2021年校級質(zhì)量工程立項(xiàng)項(xiàng)目-大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（YDC202106）

題園園（1986—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)楹附幼詣?dòng)化、圖像處理、機(jī)器人技術(shù)。