蔡令波，曲兆展，王劍磊，謝良越，孟憲鳳，王春

(山東大學(xué)光學(xué)高等研究中心，山東青島 266237)

塑料作為一種高分子化合物具有成型簡單、生產(chǎn)成本較低、質(zhì)量輕及耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車零部件、食品包裝以及醫(yī)療設(shè)備等制造行業(yè)[1–3]。不同行業(yè)對塑料制品的形狀、結(jié)構(gòu)有著不同的要求。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀無規(guī)則的塑料制品，采取直接注塑的方法通常需要較高的研發(fā)及生產(chǎn)成本。在塑料簡單注塑之后通過連接的方式組合成復(fù)雜的零部件不僅可以節(jié)約成本而且也可以在一定程度上縮短生產(chǎn)周期。焊接是應(yīng)用于熱塑性塑料連接的主要方式，傳統(tǒng)的焊接方式如熱板焊接、超聲焊接以及摩擦焊接等在焊接過程容易對塑料板材本身造成損傷，影響塑料板材的使用壽命，并且難以滿足塑料加工過程中對于塑料制品氣密性、復(fù)雜程度以及環(huán)保的要求[4–7]。

激光透射焊接技術(shù)的興起進(jìn)一步推動(dòng)了塑料焊接領(lǐng)域的發(fā)展，激光透射焊接技術(shù)作為一種無接觸式技術(shù)具有焊接速度快、熱作用區(qū)域小、精度高、強(qiáng)度大以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在塑料加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[8–12]。另外，激光不會(huì)對塑料板材表面造成任何損傷，焊接過程中不產(chǎn)生殘?jiān)?，焊接得到的塑料制品精密度高、氣密性好以及無污染，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的不足。

目前，大多數(shù)激光透射焊接采用的光源為近紅外激光(808～1 064 nm)，上層透明塑料對于這類激光具有較高的透過率，適合用來焊接上層為透明、下層為有色的塑料[13–15]。但是對于上下層均透明的塑料板材，需要添加對近紅外波段吸收較高的吸收劑才能實(shí)現(xiàn)焊接。吸收劑的使用不僅增加了焊接工藝的復(fù)雜性，而且吸收劑的分解容易對塑料板材造成污染，無法在醫(yī)療器材、食品包裝等對塑料制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求極高的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此實(shí)現(xiàn)透明塑料板材的無吸收劑焊接是未來研究激光透射焊接技術(shù)的趨勢[16–17]。

筆者通過研究聚碳酸酯(PC)與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)塑料板材的透過率光譜發(fā)現(xiàn)，兩種塑料板材對1 910 nm激光的透過率分別為74.1%和52.5%，因此將PC塑料作為上層透明塑料板材，PMMA作為下層塑料板材進(jìn)行透射焊接實(shí)驗(yàn)。筆者在不添加任何吸收劑的條件下，使用1 910 nm的激光進(jìn)行了PC/PMMA異種透明塑料的焊接試驗(yàn)，研究了激光功率、焊接速度以及離焦量等參數(shù)對PC塑料板材透射焊接效果的影響。通過光學(xué)顯微鏡對試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，利用電子拉力試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行了拉拔力試驗(yàn)，確定了較好的焊接條件。

1 實(shí)驗(yàn)材料及焊接方法

1.1 原材料

PC：佛山市華廈綠寶建材有限公司；

PMMA：深圳市新濤亞克力有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

紫外-可見分光光度計(jì)：UV 3600型，日本島津有限公司；

1 910 nm半導(dǎo)體激光器：ES-6319型，中科正源(山東)光電科技有限公司；

光學(xué)顯微鏡：JX-20 A型，北京老上光儀器有限公司；

電子拉力試驗(yàn)機(jī)：DL-5000型，天津市港源實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.3 焊接方法

所采用的焊接板材為透明PC塑料，透明PMMA，其尺寸均為60 mm×30 mm×1.5 mm。通過紫外-可見分光光度計(jì)測得的實(shí)驗(yàn)用PC，PMMA塑料板材的透過率譜線，如圖1所示。由圖1可知，激光波長為1 910 nm時(shí)，PC和PMMA塑料板材的透過率分別為74.1%和52.5%，PMMA對1 910 nm激光的吸收率明顯高于PC，適合作為吸收層置于PC塑料板材下層。激光通過PC塑料板材時(shí)僅有少部分能量會(huì)被吸收，下層PMMA塑料板材吸收大部分能量被熔化并將熱量傳導(dǎo)至上層塑料使得上下層塑料在接觸面熔化。

圖1 PC和PMMA塑料透過率譜線

圖2為PC/PMMA透明塑料激光透射焊接原理示意圖。將對1 910 nm波長的激光透過率較高的PC塑料板材作為透光層，吸收率較高的PMMA塑料板材作為吸光層，兩塑料板材層疊放置，通過夾具提供的夾持力緊密結(jié)合。激光首先通過上層PC透明塑料聚焦于PC/PMMA塑料板材結(jié)合面處，PC塑料對于1 910 nm的光吸收較弱不會(huì)使其熔化。位于結(jié)合面下部的PMMA透明塑料吸收較多的激光能量后產(chǎn)生熱量形成熱作用區(qū)域使其熔化，熱量傳導(dǎo)至上方PC透明塑料板材使其處于結(jié)合面附近的塑料熔化。熔融狀態(tài)下的塑料大分子在夾具所提供的夾持力的作用下相互擴(kuò)散和糾纏，產(chǎn)生范德華力形成強(qiáng)烈的鍵合，在冷卻之后緊密結(jié)合在一起。

圖2 異種塑料激光透射焊接原理

實(shí)驗(yàn)采用的激光器為1 910 nm半導(dǎo)體激光器，最大功率可達(dá)30 W，冷卻方式為水冷。圖3為三維移動(dòng)焊接系統(tǒng)示意圖。焊接系統(tǒng)由激光器與三維移動(dòng)控制平臺組成，激光器通過光纖與激光焊接頭連接并固定在三維移動(dòng)控制系統(tǒng)的傳動(dòng)軸上，激光經(jīng)激光焊接頭中的準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡后進(jìn)行聚焦，通過設(shè)置三維移動(dòng)控制平臺的控制程序參數(shù)調(diào)節(jié)激光焊接頭的Z軸位置進(jìn)而控制焦點(diǎn)的高度。另外，在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下，通過改變控制程序參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意圖形、軌跡的加工。

為了去除塑料板材表面污漬、雜質(zhì)對焊接效果的影響，對塑料板材進(jìn)行超聲清潔處理后烘干備用。將PC/PMMA塑料板材層疊放置，使用夾具將兩者夾持使其緊密接觸并固定于三維移動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)。通過調(diào)節(jié)焊接頭的高度將焦點(diǎn)位置控制在兩層塑料板材結(jié)合面處，此處的離焦量為0 mm，改變焊接頭的Z軸位置可以調(diào)節(jié)離焦量的大小。通過內(nèi)置控制程序?qū)⒑附宇^的移動(dòng)軌跡設(shè)定為沿X軸移動(dòng)的線性軌跡，見圖3。通過改變焊接速度、激光功率以及離焦量進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。焊接完成之后，使用光學(xué)顯微鏡對試件的焊縫微觀形貌進(jìn)行觀察，使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行拉斷力測試。

圖3 焊接系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 焊接速度對試件焊接效果的影響

設(shè)定激光功率為20 W通過改變激光焊接頭的移動(dòng)速度探究了焊接速度對PC/PMMA透明塑料板材焊接效果的影響。激光功率為20 W，離焦量為0時(shí)，不同焊接速度下焊縫外觀如圖4所示。激光功率為20 W，離焦量為0時(shí)，不同焊接速度下的拉斷力如圖5所示。

圖4 激光功率為20 W，離焦量為0時(shí)，不同焊接速度下焊縫外觀

圖5 激光功率為20 W，離焦量為0時(shí)，不同焊接速度下的拉斷力

初始焊接速度設(shè)定為8 mm/s，以1 mm/s的速度間隔逐漸增加至11 mm/s。結(jié)果表明，焊接速度為8 mm/s得到的焊接試件焊縫中有氣泡產(chǎn)生，主要是由于焊接速度較慢導(dǎo)致熱量過多聚集，焊縫處的塑料分子裂解產(chǎn)生氣體，氣體無法及時(shí)排出以至于在焊縫中產(chǎn)生氣孔。隨著焊接速度的增加，在焊縫處聚集的熱量逐漸減小，當(dāng)焊接速度為9 mm/s試件焊縫氣泡消失，呈現(xiàn)較為規(guī)整的焊接形貌，此時(shí)的拉斷力達(dá)到了518 N。隨著焊接速度逐漸增至11 mm/s時(shí)，試件焊縫形貌依然較為規(guī)整，試件焊縫逐漸變窄，拉斷力逐漸下降。因此，在激光功率為20 W，焊接速度為9 mm/s時(shí)焊接試件相對于其它焊接速度條件下的試件焊接效果較為理想。在滿足PC/PMMA塑料制品拉斷力需求的前提下，可以適當(dāng)?shù)靥岣吆附铀俣纫赃_(dá)到提高焊接效率的目的。

2.2 激光功率對試件焊接效果的影響

在焊接速度為9 mm/s時(shí)，通過改變激光器的輸出功率研究了激光功率對試件焊接效果的影響。設(shè)置激光器的輸出功率分別為15，20，25 W以及30 W，焊接速度為9 mm/s，離焦量為0時(shí)，不同激光功率下焊縫外觀如圖6所示。不同激光功率下拉斷力如圖7所示。當(dāng)激光功率為15 W時(shí)，試件焊縫形貌清潔規(guī)整，焊縫寬度較窄，試件拉斷力為317 N，主要是因?yàn)楫?dāng)激光功率較低時(shí)，所產(chǎn)生的熱量不足以使得塑料熔化以至于無法形成焊縫或者形成的焊縫熔深較窄進(jìn)而導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度較低；隨著激光功率提高至20 W，焊縫熔深變深、焊縫寬度增大，此時(shí)的拉斷力達(dá)到523 N；當(dāng)激光功率為25 W時(shí)，焊縫中出現(xiàn)堆積的氣泡，激光功率為30 W時(shí)，焊縫燒焦，過高的激光功率會(huì)使得焊縫碳化引起燒焦現(xiàn)象。因此，焊接速度為9 mm/s、激光功率為20 W是合適的焊接參數(shù)組合，與之前的焊接結(jié)果相吻合。

圖6 焊接速度為9 mm/s，離焦量為0時(shí)，不同激光功率下焊縫外觀

圖7 焊接速度為9 mm/s，離焦量為0時(shí)，不同激光功率下的拉斷力

2.3 離焦量對試件焊接效果的影響

離焦量是除了激光功率和焊接速度之外影響焊接效果的重要參數(shù)之一。離焦量是指焦點(diǎn)與上下層塑料板材接觸面的距離。離焦量為0 mm時(shí)代表焦點(diǎn)位置位于接觸面處，正離焦代表焦點(diǎn)位于接觸面上部，負(fù)離焦代表焦點(diǎn)位于接觸面下部。本實(shí)驗(yàn)在激光功率20 W，焊接速度9 mm/s時(shí)探究了離焦量分別為+4，+2，0，–2，–4 mm時(shí)對PC/PMMA塑料板材焊接結(jié)果的影響，不同離焦量下焊縫外觀如圖8所示。焊接結(jié)果表明，當(dāng)離焦量為+4 mm時(shí)，PC塑料嚴(yán)重?zé)梗x焦量為+2 mm時(shí)試件焊縫中存在大量的氣泡，可能是因?yàn)镻C的熔點(diǎn)低于PMMA，因此，在正離焦時(shí)PC在焦點(diǎn)附近吸收光能產(chǎn)生的熱量足以使其熔化甚至碳化，因此正離焦并不適用于PC/PMMA塑料板材的焊接。圖9為激光功率為20 W，焊接速度為9 mm/s時(shí)，不同離焦量下的拉斷力。由圖8和圖9可見，當(dāng)離焦量為–2 mm時(shí)，試件焊縫均勻，拉斷力為594 N。當(dāng)離焦量為–4 mm時(shí)，試件焊縫均勻，但拉斷力僅為375 N。因此，當(dāng)激光功率20 W，焊接速度9 mm/s，離焦量–2 mm時(shí)，試件的焊接效果最佳。

圖8 激光功率為20 W，焊接速度為9 mm/s，不同離焦量下焊縫外觀

圖9 激光功率為20 W，焊接速度為9 mm/s時(shí)，不同離焦量下的拉斷力

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用1 910 nm半導(dǎo)體激光器在不添加吸收劑的條件下對PC/PMMA透明塑料板材進(jìn)行了激光透射焊接試驗(yàn)，研究了激光功率、焊接速度以及離焦量對試件焊接效果的影響。使用光學(xué)顯微鏡對試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)對試件焊縫的拉斷力進(jìn)行測試，結(jié)論如下。

(1)當(dāng)激光功率為20 W時(shí)，設(shè)定焊接速度為8～11 mm/s。焊接速度為8 mm/s試件中存在氣泡；焊接速度為9~11 mm/s時(shí)，試件焊縫形貌規(guī)整，試件拉斷力逐漸下降，最佳焊接速度為9 mm/s。

(2)當(dāng)焊接速度為9 mm/s時(shí)，在激光功率15～20 W時(shí)，試件焊縫較為均勻，試件拉斷力逐漸提高。當(dāng)焊接功率達(dá)到25 W時(shí)，試件焊縫出現(xiàn)氣泡，焊接效果不理想。

(3)在激光功率20 W，焊接速度9 mm/s時(shí)，離焦量為–2 mm時(shí)焊接效果最佳，拉斷力達(dá)到594 N。