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透明PC与白色ABS激光透射焊接工艺及性能研究

激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺,其工作原理是:通过特定的方式来激励激光活性介质(如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等),使其在谐振腔中往复振荡,从而形成受激辐射光束,当光束与工件接触时,其能量被工件吸收,在温度达到材料熔点时便可进行焊接。


       图片        


随着制造业的快速发展和产品轻量化的需求,异种热塑性塑料之间的连接需求逐步增加,由于塑料的热导率相对金属材料较低且热敏感度高,此外不同材料之间的熔点、导热率、比热容等参数存在差异,只有相容性较好的异种塑料之间才容易实现焊接,导致异种塑料焊接的难度较大。

       图片         

与常见的热板焊接、超声焊接等方式相比,激光透射焊接具有能量集中、精密度高、加工作用力小等优势。


       图片        


PC材料具有透光率高、抗冲击能力强、高耐热等诸多优点;ABS具有强度高、易加工成型、化学性能稳定等特点,两者都是综合性能优良的热塑性工程塑料,在实际生活和工业中应用广泛。


目前国内已经开展了异种塑料激光透射焊接的相关研究,李品等使用红外加热辅助方式对透明聚碳酸酯(PC)塑料和涂有Clearweld吸收剂的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚砜(PSU)热塑性塑料进行了激光透射焊接,结果表明该方式可有效提高异种塑料焊接试样的焊缝剪切力。

       图片激光透射塑料焊接工艺


庞振华等使用激光轮廓焊接的方式对透明PC和黑色ABS进行了焊接并得到了达到市场需求的试样;伍彦伟等对异种PC和聚苯醚(PPE)进行了激光透射焊接并用响应曲面法对焊接工艺参数进行实验设计与优化,得到了焊接强度最大为6.51 MPa的试样;上官同英等设计了田口实验的方法并提出了面能量的概念,实现了掺杂玻璃纤维的ABS和PP塑料的焊接并得到了较好的效果;诸金等使用915nm的激光配合纳米氧化铟锡吸收剂材料实现了PC和ABS的激光焊接。


由于热塑性塑料对1700~2000 nm波段激光的吸收通常强于近红外波段,因此使用该波段的激光可以在不使用激光吸收剂的情况下对异种塑料进行有效的焊接,降低生产成本。


目前国内使用此波段的激光进行异种塑料焊接的相关研究较少,本研究使用波长1910 nm的半导体激光器对透明PC和白色ABS塑料进行透射焊接实验研究,对焊接过程中的物理现象进行了分析,优化焊接参数并使用拉力试验机对试样的焊缝强度进行了测试,找到了适合两种材料焊接的实验条件。


激光透射焊接的原理


传统激光透射焊接是指上层透明塑料对近红外波段的光的吸收率较小,激光经过两层塑料只有较少部分被吸收,难以产生足够的热量使焊接完成,因此需要在下层塑料的上表面添加激光吸收剂,激光被吸收剂吸收后释放热量在其附近形成热作用区,两层塑料板材熔化并在压力和热膨胀的作用下焊接在一起。               图片激光透射焊接原理图


而热塑性塑料对1910nm的激光吸收较强,因此只需将激光束聚焦于两层塑料的接触面,激光就可以被两层塑料吸收从而避免使用吸收剂。


这两种塑料的连接产品综合了各自的优点,常被用于汽车、家电、电子电器等领域。两种材料的相关参数见下表。


PC和ABS相关参数


材料

尺寸/mm

密度/ (kg·cm-3)

热变形温度/ ℃

分解温度/ ℃

透明 PC

白色 ABS

60 ×30 ×1.5

60 ×30 ×1.5

1.2

1.05-1.18

130-140

93-108

340

270


异种塑料焊接时,上下层材料的温差属性较大有可能导致一种材料发生熔融而另一种材料未达到熔融温度导致两层焊接试样融合不充分,焊接强度较低;或是一种材料吸收热量过多率先达到热分解温度另一种塑料还处于熔融状态,这种情况会使一种塑料分解产生外观缺陷。由上表可以看出,热作用区的温度在140~270℃区间内两种塑料均发生熔化且未达到分解温度。


下图为上层PC材料在700~2000nm波段内的透过率曲线图,可以看出PC在1910 nm处的透光率明显低于可见光波段的透过率,表明上层PC材料能透过1910nm激光的同时对其有较好的吸收能力,这解释了1910nm的激光可以在不使用吸收剂的情况下能够焊接透明塑料的原因。

       图片PC材料在不同波长下的透过率曲线图


本实验使用的激光器为波长1910 nm半导体激光器,最大输出功率为30W。将两塑料层叠放置(重合部分的宽度为20 mm)并使用夹具夹紧,适当的夹持力有利于提高焊接试件的质量,焊接过程如图所示。

       图片焊接原理图


焊接完成后使用,由于拉伸两层塑料板材时力的方向不在同一直线,在夹具的夹持位置加上填充物可以减少附加弯矩的产生从而避免对测试结果产生影响。


       图片        

拉力测试过程


1   焊接参数对焊接强度的影响


不同功率下PC-ABS试样拉拔力随焊接速度的变化曲线如图所示。

       图片         激光功率:a-10 W

不同激光功率下 PC-ABS 试样拉拔力随焊接速度的变化


首先在激光功率为10W时对PC-ABS塑料进行了焊接实验;焊接速度为5mm/s时两层塑料焊接成功但焊缝宽度较窄,两层塑料的融合程度一般导致焊接试件强度较低;随着焊接速度的减小焊缝宽度加宽使两层材料均匀融合且密封性极好,在焊接速度为3mm/s时,试件焊缝强度最大达到了371.2 N;此后随着焊接速度的减小,焊接板材吸收热量过多,焊缝中出现部分烧焦点,导致试件的拉拔力降低,最终在速度为2 mm/s时,焊缝温度过高导致材料分解,导致试件的焊接强度较低。

       图片                图片         激光功率:b-20 W;c-30 W

不同激光功率下 PC-ABS 试样拉拔力随焊接速度的变化


调整焊接功率分别为20W和30W,并改变对应的焊接速度进行实验,结果表明不同功率下焊缝的拉拔力随焊接速度的变化均呈现出先增加后减小的趋势。基于所使用的激光器和塑料板材,激光功率在30 W,焊接速度在9mm/s时,试样焊缝处最大拉拔力达382.6 N。


根据以上数据可得到激光热输入值与试样拉拔力的变化关系,如图所示。

       图片不同功率下 PC-ABS 试样拉拔力随激光热输入的变化


热输入为3.3 J/mm 附近时,试样焊接强度最大。不同功率下得到的热输入和试样拉拔力的关系曲线有很好一致性,为提高焊接效率,可选择30 W的功率下进行材料焊接。


2  焊接参数对焊接外观的影响


下图为几组不同热输入下的焊接试样。

       图片PC-ABS 焊接试样外观


热输入为2.5 J/mm 时,焊缝宽度均匀、整体气密性较好;随着热输入增加至3.3 J/mm,可以看出PC和ABS焊缝的中心处留下了一条清晰的融合线,此时试样拉拔力最大达到了382.6 N;随着热输入的持续增加至4J/mm,焊缝中产生了部分烧焦点导致试样强度降低;当热输入增加值5 J/mm时塑料吸收热量过多产生分解,进行拉力测试时试样强度明显降低。


使用电子显微镜对以上几组试件的焊缝形貌进行观察,如下图所示。可知,当热输入为2.5 J/mm 时,焊缝宽度较窄且相对于焊缝周围的热影响区分界线不明显。

       图片不同热输入下 PC-ABS 试样的焊缝微观形貌


当热输入增加至3.3J/mm时,焊缝宽度明显加宽且焊缝中存在些许肉眼不可  见的气泡,焊缝与热影响区之间存在清晰的边界,此时焊缝的强度较高;随着激光热输入继续增加至4J/mm焊缝中产生了少许烧焦点且焊缝宽度降低。当热输入为5J/mm时塑料吸收激光能量较多产生的热量使上层PC塑料整体发生烧焦并向上凸起,焊缝宽度和热影响区的面积均减小,焊缝强度明显降低。由此可知当焊缝中存在部分气泡且无烧焦时对透明PC和纯白ABS塑料的焊接更加有利。


综上,(1)适合透明PC和纯白色ABS焊接实验的温度范围约为140~27℃。(2)实验中焊接试样可承受的拉拔力最大时,焊缝中无烧焦点但存在肉眼不可见的气泡,焊缝的宽度最宽。(3) 结果表明,1910 nm的半导体激光器是一种能在不添加吸收剂情况下实现异种塑料焊接的理想光源。


参考资料:激光透射焊接异种塑料的实验研究,互联网资料。


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