陳玉嬌，劉全軍

(1.東莞理工學(xué)院，東莞， 532808；2.廣州恒美智能科技有限公司，廣州， 511466)

0 序言

激光連接金屬與塑料技術(shù)(LAMP) 已實現(xiàn)多種金屬和塑料的焊接，如：鈦/PEEK[1]，6061 鋁合金/CFRTP[2]，碳素鋼/PA66[3]和304 不銹鋼/PMMA[4].在LAMP 實施過程中，激光透過塑料層，到達金屬/塑料界面時產(chǎn)生高溫，使界面處塑料熔化和分解而產(chǎn)生氣泡，并且殘留在冷卻固化的焊縫中.該領(lǐng)域的專家普遍承認，氣泡在熔融塑料中產(chǎn)生巨大的壓力，可以使熔融塑料與金屬表面密切接觸.這樣，塑料熔體就可以進入金屬表層的微觀凹坑中，達到錨固效果[5].同時，焊縫中的范德華力和新化學(xué)鍵也被認為在形成金屬和塑料材料的強大連接方面發(fā)揮關(guān)鍵作用.然而氣泡實質(zhì)上是一種焊接缺陷，因此，另一方面來說氣泡會削弱接合強度[6].

當 Tillmann 等人[6]采用較小的焊接速率和較大的激光功率輸入(32 mm/min；80 W)時，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生了許多較大的氣泡，在這種情況下接頭強度較弱.分析認為熔融材料上形成的氣泡數(shù)量和大小對接頭性能有顯著影響.根據(jù)課題組前期的研究和試驗，已證實氣泡的大小、數(shù)量和分布是直接影響焊接接頭的重要因素.

近年來，一種新的超聲輔助激光金屬塑料連接方法(U-LAMP)被開發(fā)出來，并被證明優(yōu)于LAMP.試驗結(jié)果表明，超聲波的引入使塑料熔體與金屬片之間的表面接觸更加緊密，從而獲得較高剪切強度的良好接頭[7].此外，在超聲波工具頭中心設(shè)計開槽結(jié)構(gòu)，并在加載超聲波時，使超聲工具頭中心相對于焊縫中心有一定的偏移量，來形成壓力差，使氣泡移動并從焊縫邊緣逸出[8].

然而，目前各種焊接參數(shù)及其交互作用對焊接性能影響的研究仍然有限，嚴重制約著超聲激光復(fù)合焊接異種材料的發(fā)展.因此，采用響應(yīng)曲面設(shè)計方法對超聲輔助激光焊接鈦和PET 的工藝參數(shù)進行研究和優(yōu)化，來實現(xiàn)焊接過程中氣泡缺陷的消除和連接強度的提高.

1 試驗設(shè)計

1.1 超聲輔助激光焊接平臺

試驗涉及的超聲輔助激光焊接平臺包括工件夾緊結(jié)構(gòu)、超聲波加載結(jié)構(gòu)和激光焊接系統(tǒng)等，焊接平臺示意圖和三維效果圖如圖1 所示.

圖1 超聲輔助激光焊接系統(tǒng)示意圖和三維效果圖Fig.1 Schematic diagram and three-dimensional renderings of ultrasonic-aided laser joining welding system

工件夾緊結(jié)構(gòu)：焊接對象采用上下疊層放置形成工件組合(塑料在金屬上面)；在焊接對象上部有可以滑動的透明石英玻璃板；焊接對象下部由中間開孔(用于避開超聲工具頭)的平板支撐，支撐平板由左右對稱的氣缸進行夾緊.

超聲波加載結(jié)構(gòu)：采用28 kHz 超聲振動系統(tǒng)，超聲振子底部氣缸提供向上的推力，使超聲波工具頭穿過支撐平板的中間孔，并與工件組合的金屬底部接觸.其中超聲波工具頭頂部設(shè)計開槽結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其作用是在加載超聲振動后，在熔融塑料中產(chǎn)生一個壓力差來引起氣泡在熔融塑料中移動.同時調(diào)整超聲波工具頭中心線相對于焊縫中心的偏移量，使低壓區(qū)位于焊縫邊緣，為氣泡從焊縫邊緣逸出創(chuàng)造條件[8].

激光焊接系統(tǒng)：包含X/Y 移動平臺和激光頭Z方向的運動結(jié)構(gòu)；采用Nd: YAG 脈沖激光器(300 W)來提供多種形狀的光束.

具體的實現(xiàn)方法是：將塑料片疊放在金屬片上面，如圖1 所示.在焊接過程中，激光束穿透石英玻璃板和塑料到達金屬表面，金屬表面吸收激光能量被加熱，使與其接觸的塑料表面熔化和一定程度的分解并產(chǎn)生氣泡.同時，對焊接區(qū)域加載間隙性超聲波，超聲波的高頻振動對熔化的塑料施加額外的壓力，使熔融塑料更緊密地附著在金屬板上.工具頭的開槽結(jié)構(gòu)，使焊接熔化區(qū)產(chǎn)生壓力差(對應(yīng)開槽區(qū)域上方的壓力小)并引起氣泡從高壓區(qū)移動至低壓區(qū)；調(diào)整超聲工具頭中心與焊縫中心的偏移量，使焊縫中的低壓區(qū)位于焊縫邊緣，方便氣泡逸出.熔化的塑料冷卻后，在塑料板與金屬板之間形成了一個強有力的焊縫連接.

目前行業(yè)內(nèi)對激光焊接的研究主要集中在離焦量、激光功率和焊接速度3 個參數(shù)上[9].而對于超聲輔助激光連接工藝中焊接接頭性能除了以上參數(shù)影響以外，超聲振幅和超聲作用時間也是影響焊接接頭性能的重要因素.激光功率和焊接速度都影響激光能量的輸入.選取激光功率作為研究參數(shù).試驗選擇激光功率、超聲波振幅和超聲波作用時間作為超聲輔助激光連接PET/Ti 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝參數(shù).此外控制離焦量為25 mm，焊接速度4 mm/s，焊接長度為20 mm，則樣件的焊接過程時間為5 s.

在試驗的基礎(chǔ)上確定試驗參數(shù)的合適取值范圍如表1 所示，列出了焊接參數(shù)的上下限和單位，以及焊接周期中超聲波振動的加載時序.超聲波振動分兩次加載至焊接過程中，由于樣件焊接過程為5 s，以超聲波作用時間為1 s 為例，超聲波振動的施加時間為2～2.5 s 和4.5～5 s，超聲加載時序如圖2 所示.

圖2 超聲加載時序(以1 s 超聲加載為例)Fig.2 Ultrasonic loading time (taking 1 s ultrasonic loading as an example)

表1 焊接參數(shù)極值表Table 1 Welding parameter extreme value table

由于超聲波振幅并不是連續(xù)變化，試驗選擇標準振幅增量為0.5 μm 的一系列振幅參數(shù).本文以焊縫失效載荷、焊接界面厚度和氣泡面積作為評價焊縫性能的指標.

1.2 試驗材料

焊接對象Ti(純度99.6%)和PET(非晶態(tài))均采購自Goodfellow Cambridge,Ltd.(Huntingdon,UK).為了便于后續(xù)檢測和結(jié)果對比，采用統(tǒng)一規(guī)格的簡單矩形試件進行焊接試驗，Ti 和PET 的尺寸均為60 mm × 25 mm × 1 mm .

材料的前處理方法：先用砂紙(320 號和1200 號)研磨鈦板待焊接的表面(去除氧化膜)；然后，表面處理過的鈦片和聚酯片分別置于乙醇超聲波清洗池中清洗10 min；最后，在60 ℃烘爐下干燥12 h.

1.3 焊縫性能分析方法

通過對激光功率、超聲波振幅及超聲波加載時間等參數(shù)進行分組試驗，分析這些參數(shù)組合對氣泡面積以及接頭強度的影響.在每組焊接參數(shù)條件下選擇五個試樣進行氣泡面積的測定和剪切拉伸的實驗.表2 是通過響應(yīng)曲面法設(shè)計的試驗參數(shù)及編碼水平.試驗表明，氣泡是存在于靠近PET 的界面中的，合理選擇超聲波參數(shù)可以有效控制焊接界面處的氣泡含量[8].

表2 試驗參數(shù)及編碼水平Table 2 Test parameters and coding level

采用光學(xué)顯微鏡及面積測量系統(tǒng)對焊接界面氣泡形貌進行觀測.隨機選擇一個焊接樣品用于測量氣泡面積(激光功率60 W，超聲波振幅3 μm，超聲加載時間1 s)，如圖3 所示.

圖3 P= 60 W, A=3 μm, t=1 s 時的氣泡Fig.3 Bubble at P= 60W, A=3μm, t=1s(a) typical welding sample; (b) bubble area measurement

通過X 射線光電子能譜分析儀(XPS)進行Ti/PET 結(jié)合區(qū)域的化學(xué)鍵進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接參數(shù)對焊縫強度的影響

圖4 表明了各焊接參數(shù)對焊縫強度的影響規(guī)律.結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，焊縫強度增加，并在中心點附近達到最大值；隨著激光功率繼續(xù)增強，焊縫強度開始下降.激光功率的大小直接影響焊接區(qū)域面積和焊縫中新化學(xué)鍵的形成.當激光功率過低時，由于激光提供的熱能低于化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)能，界面處就不會生成新化學(xué)鍵，而過高的激光功率會導(dǎo)致聚合物分解而產(chǎn)生許多氣泡，從而削弱連接.

圖4 工藝參數(shù)對焊接強度的影響趨勢Fig.4 Influence trend of process parameters on welding strength

超聲波振幅和作用時間對焊縫強度的影響與激光功率的相似，即在中心點附近達到最大值之后接著減小(圖4).超聲振動能促進形成較強的Ti/PET 界面，這是提高焊接性能的重要因素.

圖5、圖6 和圖7 分別顯示了不同的樣品經(jīng)過剪切拉伸之后Ti 側(cè)焊接界面的高分辨率C1s XPS譜：樣品1(激光功率60 W，超聲振幅1 μm，超聲作用時間1.0 s)、樣品2(激光功率60 W，超聲振幅3 μm，超聲作用時間1.0 s)和樣品3(激光功率60 W，超聲振幅3 μm，超聲作用時間1.5 s).結(jié)果表明，樣品1、樣品2 和樣品3 的界面厚度分別約為1 230 nm、1 800 nm和2 280 nm，其中包括新形成的Ti-C (281.7 eV)化學(xué)鍵.結(jié)果表明，在其它焊接參數(shù)不變的情況下，增加超聲波振幅或作用時間，可以促進Ti-C 鍵的形成，從而增強界面強度，提高失效載荷.超聲振動，可以產(chǎn)生對熔融塑料具有振動效應(yīng)的附加壓力，隨著超聲波振幅的增大，熔體與鈦金屬的接觸變得更加緊密.此外，增加超聲波作用時間相當于熔化的PET 經(jīng)歷較長的相對較高的聲壓時間，這將促進化學(xué)反應(yīng).然而，進一步提高振幅或作用時間時反而會降低失效載荷.更大的超聲波幅度和超聲波作用時間會引起共價鍵的活化，導(dǎo)致更多聚合物大分子鏈的隨機斷裂，從而削弱母體PET 的性能.因此，延長超聲波作用時間或增大振幅有助于形成較強的焊接接頭，但是超聲波作用時間和振幅在超過一定范圍之后，會降低母聚合物片材的性能，導(dǎo)致接頭強度降低.XPS 的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)合界面在一定厚度上存在Ti-C 化學(xué)鍵成分，以此說明他們之間形成了分子間的交錯融合.

圖5 分離鈦面高分辨率的C1s XPS 光譜(P = 60 W, A=1 μm,t=1 s)Fig.5 High resolution C1s XPS spectrum of separated titanium surface (P=60 W, A=1 μm, t=1 s)

圖6 分離鈦面高分辨率的C1s XPS 光譜(P= 60 W, A=3 μm, t=1 s)Fig.6 High resolution C1s XPS spectrum of separated titanium surface (P=60 W,A=3 μm,t=1 s)

圖7 分離鈦面高分辨率的C1s XPS 光譜(P=60 W, A=3 μm, t=1.5 s)Fig.7 High resolution C1s XPS spectrum of separated titanium surface(P=60 W, A=3 μm, t=1.5 s)

2.2 焊接參數(shù)對氣泡面積的影響

圖8 顯示了各焊接參數(shù)對氣泡面積的影響.結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，氣泡面積明顯增大，這說明氣泡的形成是由于熱輸入過多，導(dǎo)致塑料分解形成氣體而產(chǎn)生.隨著激光功率的增加，材料的熱輸入量也隨之增加，導(dǎo)致接頭溫度升高.當焊接溫度低于聚合物的分解溫度時，氣泡很少.然而，當接頭溫度達到分解溫度后，激光功率進一步增大，會導(dǎo)致聚合物快速分解，在焊縫區(qū)產(chǎn)生大量氣泡.

圖8 工藝參數(shù)對氣泡面積的影響趨勢Fig.8 Influence trend of process parameters on bubble area

從圖8 中可以明顯看出，超聲波振動在這個焊接過程中不會因聲空化而誘發(fā)氣泡[10].

圖9 顯示了超聲作用時間和激光功率對氣泡面積的相互影響作用.從等高線圖可以看出，如果激光功率低于65 W，施加超聲波振動時只能發(fā)現(xiàn)少量的氣泡.這是因為超聲波工具中的一個開槽結(jié)構(gòu)可以使焊接過程中熔池形成壓力差，使得氣泡移動至低壓區(qū)域并離開熔池.然而，當激光功率大于65 W時，進一步增加激光功率會導(dǎo)致氣泡面積急劇增加.它們迅速聚集在一起而無法從熔池中及時逸出.

圖9 超聲作用時間和激光功率對氣泡面積的相互作用影響Fig.9 Interaction effect of ultrasonic action time and laser power on bubble area.(a) Response surface; (b) Contour map

3 結(jié)論

(1)利用超聲波輔助激光連接技術(shù)可以獲得良好的Ti/PET 接頭.焊縫強度隨著激光功率的增加先增加，在中心點附近達到最大值，但隨著功率的繼續(xù)增加，強度會下降.超聲波幅值和超聲波作用時間對焊縫強度的影響與激光功率的影響相似，即在中心點附近達到最大值后隨著參數(shù)值的增加而減小.

(2)延長超聲波作用時間或增大超聲波振幅可以促進Ti-C 化學(xué)鍵的生成，從而形成較強的界面；但是，超聲波作用時間和振幅在超過一定范圍之后，會降低母聚合物片材的性能，導(dǎo)致接頭強度降低.

(3)當激光功率低于65 W(如60 W)時，施加超聲振動可以使氣泡移動并逸出焊接區(qū)，從而明顯降低焊縫氣泡總面積.但當激光功率超過65 W時，過高熱量輸入，導(dǎo)致成群氣泡生成，超聲振動產(chǎn)生的壓力梯度并不能使氣泡及時從熔池低壓區(qū)域排出，而最終殘留在焊縫界面處.