高分子材料塑料的激光焊接工藝及性能

魏坤坤

新疆匯翔激光科技有限公司 新疆烏魯木齊 830000

所謂高分子材料就是指由高分子化合物即聚合物構成的材料，所以其也可稱之為聚合物材料。由于高分子材料誕生與發展時間較短，所以其屬于新興材料。但隨著國內外對高分子材料的不斷研究與開發，目前高分子材料已經在國防建設和國民經濟等多個領域中都發揮出了重要作用。

1 試驗的開展

1.1 試驗材料

此次試驗中所使用的塑料材料為聚丙烯PP薄板，由于聚丙烯本身具有較強的熱塑性，且比重較低、表面硬度大、彈性高，耐熱性、化學穩定性與絕緣性也更好，所以此類材料擁有更強的加工適應性[1]。此外，由于聚丙烯的分子量在15至70萬范圍內，且分子量分布寬、密度小，所以其也是塑料材料中質量最輕的一種。試驗中所用的薄板材料的具體參數如下：

厚度：0．5mm；

密度：0．92h/cm3；

抗拉強度：23．5MPa；

軟化溫度：150℃；

顏色：乳白色；

成形方式：擠壓；

1.2 試驗設備

此次研究中所用的設備為LWS-500W脈沖YAG激光器。其YAG激光的波長λ為1．06μm，能夠有效穿透聚乙烯、聚丙烯等塑料材料。此外，試驗中所用的PP板本身含有添加劑與著色劑，使得其吸收激光的能力進一步增強，進而可以完成對塑料的激光焊接[2]。

1.3 試驗方法

此次研究的具體試驗方法如下：

①切割PP板，具體尺寸為80mm×60mm×0．5mm。

②對試板表面進行脫脂去污，隨后放到H2SO4含量為98%，溫度為65-70℃的處理液中浸漬1至2分鐘，然后取出進行沖洗和晾干。

③將試板放入夾具中，然后以移動試板的方式利用激光對其展開高速焊接。如此進行多次試驗最終得到最佳焊接參數如表1所示。

④對焊縫進行液氮脆斷，然后以噴銀方式對斷口加以處理，再利用掃描電鏡對斷口進行宏觀與微觀形貌分析。

⑤制作拉伸樣品并對焊接接頭做多組力學拉伸試驗，再從各組試驗結果中求得平均值，最終計算出其接頭的具體抗拉強度。

表1 焊接工藝參數

2 結果與討論

2.1 焊縫外部形貌分析

此次試驗中試板焊接的外部形貌具體如圖1所示，從中能夠看出其焊縫長度為80mm，外部形貌基本良好。同時，經過激光焊接的聚丙烯試板其焊縫顏色深于母材，但這些顏色較深部分占比較少，基本仍是以母材顏色為主。由此可見，以激光焊接高分子塑料基本可以得到無污染焊縫[3]。而從表1中可以看出，以激光焊接塑料應確保其各項參數能夠維持在適當范圍內。在多次試驗過程中，當焊接速度達到4000mm/min時，會發生少焊與缺焊問題；而當焊接速度為3000mm/min時，則碳化現象嚴重。

圖1 激光焊接PP板焊縫外部形貌

2.2 焊縫斷口形貌分析

在對焊縫進行液氮脆斷后，其斷口較光滑且無污染。而經過噴銀處理后，再利用掃描電鏡對其進行觀察可以看到其斷口宏觀形貌為一種均勻的熔體，且未出現飛邊與夾渣等缺陷，基本形成一種牢固接頭。這主要是由于在激光焊接過程中，激光光能會轉化為熱能，從而瞬間融化焊縫處并使之成為熔體。

此次試驗中所用的YAG激光器功率較大，在塑料板的潤濕方面效果更為顯著。但由于塑料屬于高分子材料，所以其熔化過程中高分子并不會變化，這就使得其并沒有出現塑料改性。在用掃描電鏡對斷口進行觀察時可以發現其他一些脆斷位置斷口并未連接上接頭，這主要是因為脈沖激光在基值時尚未將板間塑料完全溶透。

2.3 焊接接頭力學性能分析

試驗中制作的抗拉試樣尺寸為120mm×15mm×0．5mm，測試所選用儀器的型號為HT-2402。通過多組試驗對其結構求平局值最終得出其最大拉伸力為185．3N，同時可以計算出其平均強度為21MPa，這一強度基本達到母材的89%。由此可見，以激光焊接工藝焊接的塑料其接頭拉伸強度較傳統焊接方法顯著提升。此外，從表2中可以看出，此次所做的各組試驗中所有試樣都是在焊縫處斷裂，但母材卻并無任何損壞。

表2 焊接接頭抗拉強度（MPa）

3 結語

通過此次試驗基本可以得出：①通過將激光焊接工藝參數進行優化可以得到與母材顏色接近的優質焊縫，且其焊縫不會出現卷邊或氣孔等問題；②激光焊接得到的塑料焊縫在脆斷斷口處并無發現飛邊與夾渣問題，熔合線位置清晰可見；③以激光焊接的塑料焊縫其擁有較強的抗拉強度，最高可達21MPa，且基本達到母材強度的89%。