PC/PMMA異種透明塑料激光透射焊接工藝

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(jiǎn)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(chē)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(duì)塑料制品的形狀、結(jié)構(gòu)有著不同的要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀無(wú)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(jiǎn)單注塑之后通過(guò)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(guò)程容易對(duì)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(guò)程中對(duì)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(wú)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(duì)塑料板材表面造成任何損傷，焊接過(guò)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(wú)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(duì)于這類(lèi)激光具有較高的透過(guò)率，適合用來(lái)焊接上層為透明、下層為有色的塑料[13–15]。但是對(duì)于上下層均透明的塑料板材，需要添加對(duì)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(duì)塑料板材造成污染，無(wú)法在醫(yī)療器材、食品包裝等對(duì)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(wú)吸收劑焊接是未來(lái)研究激光透射焊接技術(shù)的趨勢(shì)[16–17]。

筆者通過(guò)研究聚碳酸酯(PC)與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)塑料板材的透過(guò)率光譜發(fā)現(xiàn)，兩種塑料板材對(duì)1 910 nm激光的透過(guò)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(duì)PC塑料板材透射焊接效果的影響。通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，利用電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)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(jiàn)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(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)用PC，PMMA塑料板材的透過(guò)率譜線，如圖1所示。由圖1可知，激光波長(zhǎng)為1 910 nm時(shí)，PC和PMMA塑料板材的透過(guò)率分別為74.1%和52.5%，PMMA對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)1 910 nm波長(zhǎng)的激光透過(guò)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(guò)夾具提供的夾持力緊密結(jié)合。激光首先通過(guò)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(duì)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(tái)組成，激光器通過(guò)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(guò)設(shè)置三維移動(dòng)控制平臺(tái)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(guò)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(duì)焊接效果的影響，對(duì)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖3。通過(guò)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(duì)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(duì)試件進(jìn)行拉斷力測(cè)試。

圖3 焊接系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 焊接速度對(duì)試件焊接效果的影響

設(shè)定激光功率為20 W通過(guò)改變激光焊接頭的移動(dòng)速度探究了焊接速度對(duì)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(guò)多聚集，焊縫處的塑料分子裂解產(chǎn)生氣體，氣體無(wú)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(duì)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(duì)試件焊接效果的影響

在焊接速度為9 mm/s時(shí)，通過(guò)改變激光器的輸出功率研究了激光功率對(duì)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)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)?，離焦量為+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(jiàn)，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(duì)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(duì)試件焊接效果的影響。使用光學(xué)顯微鏡對(duì)試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件焊縫的拉斷力進(jìn)行測(cè)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。