張 杰，李永崗，王桂剛

(青島愛(ài)爾家佳新材料股份有限公司，山東 青島 266000)

激光透射焊接(LTW)技術(shù)是一種新型的無(wú)接觸綠色塑料焊接方式，具有焊接速度高、熱影響區(qū)小、連接強(qiáng)度高、焊縫變形小等優(yōu)點(diǎn)。相比于摩擦焊[1-2]、超聲波焊[3-4]和振動(dòng)焊[5]等，LTW技術(shù)具有易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、適用復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征零部件成型、精度高、焊縫清潔無(wú)雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。但是透明塑料對(duì)近紅外短波長(zhǎng)激光具有弱吸收的特征。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者一方面探究新型無(wú)色染料吸收劑，同時(shí)開(kāi)發(fā)具有體加熱特征的近紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)激光，這兩種技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)透明塑料焊接，但是無(wú)法解決異種塑料相容性差的問(wèn)題。

異種透明塑料的焊接可以將具有特殊優(yōu)異性能的材料進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兼具特殊功能零部件的制備，在高端醫(yī)療裝備和精密光學(xué)傳感器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[8]。但是受限于異種塑料分子量、分子鏈結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)特征等物理性質(zhì)差異，異種塑料焊接接頭存在嚴(yán)重的界面相容性差、分子鏈相互擴(kuò)散深度淺的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度偏低[9]。

金屬類激光吸收劑具有導(dǎo)熱率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，作為激光吸收劑不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將激光攜帶的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，而且能夠在焊接接頭處生成特殊的連接結(jié)構(gòu)，從而解決異種塑料相容性差導(dǎo)致的焊接強(qiáng)度低問(wèn)題。本文以低熔點(diǎn)鎂鋅合金(MZA)粉末為激光吸收劑，實(shí)現(xiàn)異種透明塑料聚芳砜(PASF)和聚碳酸酯(PC)的焊接；通過(guò)微觀形貌表征，驗(yàn)證焊接機(jī)理；在射線追蹤探究激光與MZA粉末相互作用過(guò)程的基礎(chǔ)上開(kāi)展粉末特征對(duì)焊接效果影響的研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

透明塑料PASF和PC是由瑜欣塑料有限公司提供，樣件為長(zhǎng)度 120 mm、寬度 30 mm、厚度 2 mm的薄片。為了避免樣件表面的污垢及雜質(zhì)對(duì)焊接效果的影響，酒精清洗后，超聲處理 10 min；為了避免水分對(duì)焊接效果的影響，清洗之后的樣件放在溫度為 60 ℃ 的烘干箱中干燥 12 h，自然冷卻至室溫后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

球形鎂鋅合金(MZA)粉末(純度99%)是由長(zhǎng)沙天九有限公司提供，為避免團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，并保證粒徑具有良好分散分布特征，使用型號(hào)為QM-3SP4的球磨機(jī)預(yù)處理 3 h，之后將處理過(guò)的金屬粉末放在溫度為 80 ℃ 的烘干箱中干燥 8 h，自然冷卻至室溫后通過(guò)自行設(shè)計(jì)的熱壓固粉裝置進(jìn)行熱壓固粉。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及表征

實(shí)驗(yàn)過(guò)程是由熱壓固粉和激光透射焊接兩部分組成。壓粉裝置及過(guò)程如圖1(a)所示。過(guò)程為：將MZA粉末，填充在壓頭與隔熱板之間的間隙中，然后將PC板放置在壓板與隔熱板之間，對(duì)壓板施加恒定的壓力(35 N)。停留一段時(shí)間(8 min)之后，填充在隔熱板與壓頭之間的金屬粉末被嵌入PC板內(nèi)部。取出PC板，熱壓固粉過(guò)程完成。激光透射焊接過(guò)程如圖1(b)所示。過(guò)程為：激光透過(guò)PASF層，作用在MZA粉末層，產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的形式向周圍擴(kuò)散，促進(jìn)PASF和PC的熔融，熔融塑料冷卻之后形成穩(wěn)定接頭。

圖1 熱壓固粉過(guò)程(a)和激光透射焊接過(guò)程(b)示意圖

焊接設(shè)備為蘇州長(zhǎng)光華芯光電技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為EB-DDLM 100A的半導(dǎo)體激光器，設(shè)備參數(shù)如表1。

表1 激光器的設(shè)備參數(shù)

使用計(jì)算機(jī)斷層掃描(μ-CT)對(duì)焊接件接頭形貌進(jìn)行分析。焊接件的拉伸性能測(cè)試在型號(hào)為WDW-200E的微電子拉力機(jī)上完成的。對(duì)PASF/PC焊接件接頭進(jìn)行切割、拋光后，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)焊縫形貌進(jìn)行觀察。焊接件拉斷之后，通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)分析儀對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行元素掃描。

1.3 射線追蹤

激光-MZA粉末相互作用的研究通過(guò)光學(xué)仿真軟件TracePro完成。仿真過(guò)程中金屬粉末材料設(shè)置為金屬鎂，光源設(shè)置為半徑為 10 mm 的圓，圓內(nèi)射線數(shù)目為30，每條射線的能量通量為 1 W，激光能量為均勻分布，波長(zhǎng)為 980 nm。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，焊接過(guò)程中的激光線能量密度為 4.67 J/mm，夾緊力為 0.6 MPa、金屬粉末特征如表2所示。

表2 MZA粉末層分布特征

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接機(jī)理分析

2.1.1 激光-MZA粉末相互作用過(guò)程

激光作用于金屬粉末層時(shí)，粉末層對(duì)激光的吸收不僅受到激光作用波長(zhǎng)、粉末溫度、入射光偏振態(tài)、激光入射角和粉末表面狀態(tài)的影響，還受到粉末層特征的影響[10]。粉末顆粒間的間隙，導(dǎo)致激光具有更強(qiáng)的復(fù)合反射和穿透能力，因此增強(qiáng)了激光與粉末層的相互作用[11]。Fischer等[12]人的研究表明，激光在金屬塊中的滲透深度小于在金屬粉末中的滲透深度。射線追蹤法可以追蹤激光在材料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光與材料相互作用過(guò)程研究[13- 14]。當(dāng)激光垂直作用在金屬粉末層上時(shí)，發(fā)生復(fù)雜的相互作用。在局部放大圖(圖2)中看到：在激光透過(guò)金屬粉末層的過(guò)程中，一部分激光被反射，另一部分被吸收、散射，并沿著金屬顆粒之間的間隙向前傳播。在此過(guò)程中，金屬粉末的表面結(jié)構(gòu)和粉末層的孔隙率對(duì)激光吸收率有顯著影響。

圖2 激光透過(guò)金屬粉末層過(guò)程中的復(fù)合反射行為

2.1.2 焊接接頭特征

以粒徑為 48 μm 的MZA粉末，在粉末層寬度為 3 mm、粉末層厚度為 0.08 mm 條件下進(jìn)行熱壓固粉。PC壓粉件以及壓粉之后與PASF的焊接件如圖3(a)所示。

圖3 樣件宏觀形貌(a)，μ-CT得到的焊縫整體形貌(b)，焊縫指定位置斷面形貌(c)

為了更加全面、直觀的得到MZA粉末在焊接接頭的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征及分布情況，使用μ-CT對(duì)焊接接頭進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖3(b)所示(MZA粉末熔合在一起，形成一個(gè)熔合體)。值得注意的是，連續(xù)體的表面并不光滑，存在大量的間隙和不規(guī)則的起伏特征。因此可以判斷，在接頭上，PASF和PC基體與具有間隙和起伏特征的MZA熔合體結(jié)合、相互穿插，形成相互滲透的“釘扎”結(jié)構(gòu)。嵌接在PASF和PC界面上的“釘扎”結(jié)構(gòu)有助于提高焊接件的機(jī)械性能[15]。為了驗(yàn)證MZA粉末嵌接在PASF和PC界面上，在圖3(b)的三個(gè)指定位置(P1、P2和P3)上進(jìn)行切片分析，結(jié)果如圖3(c)所示(亮白色的MZA粉末嵌接在PASF和PC界面上，形成穩(wěn)定接頭)。

焊接件拉斷后，對(duì)焊接區(qū)域上的化學(xué)元素成分分析。圖4(a)為元素全譜圖，圖4(b)和(c)分別為C1s峰和Mg1s峰精細(xì)譜圖。在結(jié)合能為 685.7 eV、1021.8 eV 和 1303.3 eV 的位置處分別出現(xiàn)了F、Zn和Mg三種元素。F元素的存在是由于PASF/PC焊接件在拉斷的過(guò)程中部分PASF殘留在PC表面形成的；Zn和Mg是MZA粉末的主要成分，因此在元素全譜圖中可以看到Mg、Zn元素的存在。進(jìn)一步對(duì)C1s和Mg1s峰精細(xì)譜圖進(jìn)行分析，在圖4(b)中，結(jié)合能為 282.96 eV 的位置出現(xiàn)有金屬碳化物；圖4(c)中，存在Mg—F鍵(結(jié)合能為 1306.5 eV、1304.95 eV)和Mg—O鍵(結(jié)合能 1303.90 eV)。因此根據(jù)XPS分析結(jié)果得到：以MZA粉末為吸收劑的PASF/PC焊接過(guò)程中，MZA粉末與塑料基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成新的化學(xué)鍵，在焊接接頭處產(chǎn)生化學(xué)鍵合。

圖4 焊接區(qū)域的化學(xué)元素全譜圖(a)、C1s峰精細(xì)譜圖(b)和Mg1s峰精細(xì)譜圖(c)

2.2 粉末粒徑的影響

圖5(a)為在粉末層寬度 3 mm、粉末層厚度為 0.08 mm 條件下，MZA粉末粒徑對(duì)PASF/PC焊接件剪切強(qiáng)度的影響。從圖5中看出，隨著粉末粒徑的增加，PASF/PC焊接件的剪切強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)MZA粉末粒徑為 48 μm 時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到 9.32 MPa。進(jìn)一步通過(guò)SEM對(duì)焊接接頭的微觀形貌進(jìn)行分析，如圖5(b)所示。由圖5(b)看出，在MZA粉末粒徑為 10 μm 的條件下，大部分MZA粉末保持其原始形態(tài)，表明MZA粉末之間沒(méi)有熔合，焊接接頭上不存在機(jī)械鉚接結(jié)構(gòu)。當(dāng)MZA粉末粒徑為 30 μm 時(shí)，圖5(c)中紅色的點(diǎn)劃線突出顯示了在接頭界面上存在MZA粉末熔合過(guò)程中產(chǎn)生的熔合線，而且熔合的MZA之間的間隙被塑料基體填充。這說(shuō)明熔合的MZA在PASF/PC焊接件接頭內(nèi)形成“釘扎”點(diǎn)，有利于提高焊接件的剪切強(qiáng)度。當(dāng)MZA粉末粒徑為 48 μm 時(shí)，焊接接頭上存在更大的MZA粉末熔合形成的“釘扎”點(diǎn)，因此焊接件具有更大的剪切強(qiáng)度。

圖5 粉末粒徑對(duì)焊接件剪切強(qiáng)度(a)和微觀形貌(b、c、d)的影響

2.3 粉末層寬度的影響

圖6(a)為MZA粉末粒徑為 48 μm、粉末層厚度為 0.08 mm 條件下，MZA粉末層寬度對(duì)PASF/PC焊接件剪切強(qiáng)度的影響。從圖6(a)中看出，隨著粉末層寬度的增加，PASF/PC焊接件的剪切強(qiáng)度先上升后下降，當(dāng)MZA粉末層寬度為 3 mm 時(shí)，PASF/PC焊接件具有最大剪切強(qiáng)度。通過(guò)SEM對(duì)粉末層寬度為 2.5 mm、3 mm 和 3.5 mm 條件下制備的PASF/PC焊接件接頭微觀形貌觀察，在MZA粉末層寬度為 2.5 mm 的條件下(圖6(b))，焊接接頭處存在明顯的裂紋，這是由于過(guò)高的焊接溫度加劇焊接接頭處PASF、PC和MZA粉末之間物理性能差異，形成較大焊接應(yīng)力導(dǎo)致的，裂紋的存在對(duì)焊接件物理性能產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)MZA粉末層寬度為 3 mm 時(shí)，熔合的MZA嵌接在塑料基體中，而且熔合的MZA之間的間隙被塑料基體填充(如圖6(c))。這說(shuō)明熔合的MZA粉末可以作為PASF/PC焊接件接頭的“釘扎”結(jié)構(gòu)點(diǎn)，從而提高焊接件的剪切強(qiáng)度。進(jìn)一步增加MZA粉末層寬度，從圖6(d)中看到，塑料基體上有大量的氣孔，紅色虛線標(biāo)注的區(qū)域中MZA粉末間存在細(xì)小的間隙，這可能是由于粉末層寬度的增加過(guò)程中伴隨著激光光斑中心功率密度的下降，因此焊接接頭處的溫度水平下降，這導(dǎo)致PASF/PC接頭處部分塑料基體的熔融不充分，塑料熔體未能完全將MZA粉末之間的間隙填充，形成孔隙?？紫兜拇嬖谠黾恿死瓟噙^(guò)程中裂紋產(chǎn)生的機(jī)率，因此焊接件的剪切強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

圖6 粉末層寬度對(duì)焊接件剪切強(qiáng)度(a)和微觀形貌(b、c、d)的影響

2.4 粉末層厚度的影響

圖7(a)為在MZA粉末粒徑為 48 μm、粉末層寬度為 3 mm 條件下，MZA粉末層厚度對(duì)PASF/PC焊接件剪切強(qiáng)度的影響。從圖7(a)中看出，隨著粉末層厚度的增加，PASF/PC焊接件的剪切強(qiáng)度先上升后下降，當(dāng)MZA粉末層厚度為 0.08 mm 時(shí)，PASF/PC焊接件具有最大剪切強(qiáng)度。這是由于粉末層厚度影響激光透過(guò)MZA粉末層過(guò)程中復(fù)合反射次數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致不同的吸收特征，在焊接接頭形成不同的溫度水平，從而造成焊接效果的差異。通過(guò)SEM對(duì)粉末層厚度為 0.06 mm、0.08 mm 和 0.1 mm 條件下制備的PASF/PC焊接件接頭微觀形貌觀察。在MZA粉末層厚度為 0.06 mm 的條件下(圖7(b))，焊接接頭處MZA粉末層中存在尺寸較大的孔隙?？紫兜拇嬖诳赡苁怯捎贛ZA粉末層厚度較小，焊縫溫度較低，PASF和PC熔融不充分，因此MZA粉末之間的間隙未能完全填充，形成間隙。當(dāng)MZA粉末層厚度為 0.08 mm 時(shí)(圖7(c))，MZA粉末層中有熔合的MZA，而且MZA粉末間的間隙完全被塑料基體填充。然而當(dāng)粉末層厚度增加到 0.1 mm 時(shí)，在MZA粉末層的中心位置出現(xiàn)明顯缺陷(裂紋)，并且在MZA粉末層與塑料基體的邊界處存在氣孔(如圖7(d)所示)。MZA粉末層厚度的增加導(dǎo)致熔融PASF和PC在粉末層中穿插流動(dòng)的阻力增加，MZA粉末不能完全被包裹，在焊接接頭形成裂紋；氣孔的存在是由于粉末層厚度的增加導(dǎo)致MZA粉末對(duì)激光吸收率的增加，進(jìn)而產(chǎn)生較高的溫度水平，導(dǎo)致塑料熱降解產(chǎn)生氣體，并在MZA粉末層與塑料的結(jié)合處聚集而成。

3 結(jié)論

1) 激光與MZA粉末相互作用過(guò)程為復(fù)合反射行為，并沿著金屬顆粒的間隙向前傳播；2) MZA粉末在焊接接頭熔合形成具有粗糙結(jié)構(gòu)特征的連續(xù)體，與塑料基體共同作用組成“釘扎”結(jié)構(gòu)，同時(shí)塑料基體與MZA粉末產(chǎn)生化學(xué)鍵合有利于改善界面作用；3) 在MZA粉末粒徑為 48 μm、粉末層寬度為 3 mm、粉末層厚度為 0.08 mm 的條件下，PASF/PC焊接件具有最優(yōu)的焊接效果。