304不銹鋼與PA66塑料激光焊接工藝研究

王毅，許貴陽

304不銹鋼與PA66塑料激光焊接工藝研究

王毅，許貴陽

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽 473000）

研究304不銹鋼和PA66（尼龍）的焊接工藝，提高焊縫剪切強(qiáng)度。采用500 W光纖激光器對(duì)異種材料進(jìn)行搭接焊接實(shí)驗(yàn)，對(duì)激光功率、焊接速度、離焦量、焊接次數(shù)進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，并且測(cè)試焊縫剪切強(qiáng)度。當(dāng)激光功率為350 W，焊接速度為600 mm/s，離焦量為1 mm，焊接次數(shù)為3時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的58 MPa。極差分析結(jié)果表明，影響焊縫剪切強(qiáng)度的因素依次為激光功率、離焦量、焊接速度、焊接次數(shù)。微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，焊縫在PA66塑料側(cè)呈現(xiàn)韌性斷裂；在304不銹鋼側(cè)呈現(xiàn)韌性脫落，塑料和不銹鋼有緊密的貼合，這種結(jié)構(gòu)有利于提高焊縫的剪切強(qiáng)度。

304不銹鋼；PA66塑料；激光焊接；工藝研究；微觀結(jié)構(gòu)

304不銹鋼具有良好的抗耐蝕性以及耐磨性[1-2]，PA66（尼龍）具有耐腐蝕、質(zhì)量輕以及強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，2種材料在生活和工業(yè)中都被廣泛應(yīng)用。為充分發(fā)揮每種材料的優(yōu)勢(shì)，將2種材料連接，形成結(jié)構(gòu)件，達(dá)到需要的功能。由于金屬與塑料之間的物理性能如熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等存在較大差異，兩者之間的連接有較大困難[5-6]。傳統(tǒng)的連接方式通常是膠水粘結(jié)和機(jī)械連接，但是這種連接接頭強(qiáng)度不高，且壽命不長(zhǎng)[7-8]。

焊接是原子之間、分子之間或者原子與分子之間的結(jié)合，具有較強(qiáng)的焊縫強(qiáng)度、長(zhǎng)的焊縫壽命以及良好的密封性[9-10]，而傳統(tǒng)的焊接方式主要是熱板焊接，存在熱輸入量大的問題，容易損傷材料外觀以及產(chǎn)生熱變形等問題。激光焊接技術(shù)是采用能量集中的激光束對(duì)焊縫進(jìn)行局部加熱，熱輸入量相對(duì)較小，在金屬與金屬或者塑料與塑料的焊接中得到廣泛應(yīng)用[11-14]。塑料與金屬異種材料的焊接研究處于起步階段，如黃磊等[15]采用激光將304不銹鋼與PET進(jìn)行焊接，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究，得到焊縫最大抗拉強(qiáng)度為12.67 MPa。黃怡潔等[16]對(duì)塑料PMMA與304不銹鋼進(jìn)行了激光焊接研究，到目前，未見有對(duì)304不銹鋼與PA66塑料激光焊接的報(bào)道出現(xiàn)。

文中采用光纖激光器對(duì)日常生活生產(chǎn)中常見的304不銹鋼與PA66塑料進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，通過工藝實(shí)驗(yàn)得到最佳的焊接效果，并且對(duì)影響因素及焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

待焊材料為304不銹鋼和PA66塑料，板材尺寸為200 mm×100 mm×1 mm，PA66塑料與304不銹鋼的物理參數(shù)如表1所示，在材料密度、熱導(dǎo)率以及熔點(diǎn)等方面的差異較大。PA66塑料為透明材料，對(duì)光的透過率為95%。采用PA66在上、304不銹鋼在下的方式進(jìn)行搭接焊接，激光透過上層的PA66塑料，作用在下層的304不銹鋼上，激光能量被吸收后，產(chǎn)生熱量，將低熔點(diǎn)的塑料熔化，激光離開后，熔化的塑料冷卻，與不銹鋼熔合在一起。

表1 304不銹鋼與PA66塑料的物理參數(shù)

1.2 設(shè)備

采用光纖激光器作為焊接光源，最大激光輸出功率為500 W，波長(zhǎng)為1064 nm，激光器由武漢銳科激光公司提供，型號(hào)為RLF-C500，激光束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后在三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料進(jìn)行焊接加工。采用微機(jī)控制的電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊縫接頭的剪切強(qiáng)度，由珠海三思泰捷公司提供，型號(hào)為CMT4102，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 影響因素

根據(jù)大量預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，影響PA66塑料與304不銹鋼激光焊縫剪切強(qiáng)度的主要工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度、離焦量以及焊接次數(shù)。當(dāng)激光功率較低時(shí)（低于200 W），激光產(chǎn)生的熱量無法達(dá)到塑料的熔點(diǎn)，這種情況下，焊縫幾乎沒有剪切強(qiáng)度；當(dāng)激光功率過高（高于450 W）時(shí)，產(chǎn)生的溫度過高，上層塑料容易碳化，剪切強(qiáng)度降低。焊接速度對(duì)焊縫上的熱量累積起到重要作用，當(dāng)焊接速度過慢，熱量累積較大，塑料過熱產(chǎn)生碳化；當(dāng)焊接速度超過700 mm/s時(shí)，熱量累積不夠，沒有將塑料熔化充分，這2種情況下，焊縫剪切強(qiáng)度均較低。激光焦點(diǎn)處的光斑最小，功率密度最高，作用在不銹鋼材料表面上時(shí)，容易將不銹鋼材料氣化，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度低，一般需要激光焦點(diǎn)與材料表面保持一定距離，即離焦量。激光焦點(diǎn)在材料表面時(shí)，離焦量為0，激光焦點(diǎn)在材料表面以下為負(fù)離焦，文中設(shè)置不同的負(fù)離焦量，來降低激光作用在材料表面的功率密度，減少不銹鋼材料的氣化。當(dāng)焊接次數(shù)為1時(shí)，由于塑料與不銹鋼熔合不夠充分，焊縫剪切強(qiáng)度較小，當(dāng)焊接次數(shù)為4時(shí)，焊縫表面有輕微燒傷的痕跡，這是因?yàn)闊崃坷鄯e太大，將材料部分碳化，焊縫剪切強(qiáng)度降低。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)激光功率、焊接速度、離焦量以及焊接次數(shù)進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，如表2所示。

表2 因素水平表

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到16組焊接參數(shù)組合，對(duì)焊縫進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，表3為16組焊接參數(shù)以及對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度。由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，12#為正交實(shí)驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)，當(dāng)激光功率為350 W，焊接速度為600 mm/s，離焦量為1 mm，焊接次數(shù)為3時(shí)，焊縫接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的58 MPa，優(yōu)于黃磊等[15]采用激光焊接的304不銹鋼與PET焊縫（抗拉強(qiáng)度為12.67 MPa）。由于每次焊接的速度較快，為600 mm/s，不會(huì)降低生產(chǎn)效率，也不會(huì)增加生產(chǎn)成本。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在16組正交實(shí)驗(yàn)中，激光功率A取水平1（A=250 W）的共有4組實(shí)驗(yàn)，將這4組實(shí)驗(yàn)的焊縫剪切強(qiáng)度累加得統(tǒng)計(jì)量1=106。同理將其他因素在各水平下的焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行疊加，結(jié)果如表4所示。表4的極差值是同一因素在四水平下的最大值與最小值之差，值越大，表明該因素對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響大；反之，值越小，表明該因素對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響小。可以看出，對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響因素由主到次依次為：激光功率、離焦量、焊接速度、焊接次數(shù)。

表4 正交實(shí)驗(yàn)焊縫寬度的直觀分析表

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的焊縫外觀進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)1#的焊縫痕跡比較輕微，中間出現(xiàn)了焊縫不連續(xù)的現(xiàn)象，如圖2a所示，這是因?yàn)榧す夤β蕿?50 W，熱量累積不夠，塑料熔化程度不夠，這種情況下，焊縫的剪切強(qiáng)度較低，實(shí)驗(yàn)2#，3#，4#的外觀與其一樣。實(shí)驗(yàn)5#的焊縫痕跡沒有不連續(xù)的現(xiàn)象，但是焊縫寬度不均勻，如圖2b所示，這是因?yàn)榧す夤β蕿?00 W時(shí)，熔化的塑料未進(jìn)一步鋪展開，焊縫寬度較窄，導(dǎo)致焊縫剪切強(qiáng)度較低，實(shí)驗(yàn)6#，7#，8#的外觀與其一樣。實(shí)驗(yàn)9#的焊縫痕跡連續(xù)，且寬度一致均勻，如圖2c所示，激光功率為350 W時(shí)，下層不銹鋼吸收的熱量足夠?qū)⑸蠈拥乃芰线M(jìn)行充分的熔化，形成均勻一致的焊縫軌跡，焊縫剪切強(qiáng)度最大，實(shí)驗(yàn)10#，11#，12#的外觀與其類似。實(shí)驗(yàn)13#有發(fā)黑現(xiàn)象，如圖2d所示，激光功率為400 W時(shí)，下層不銹鋼吸收的熱量過大，將部分塑料碳化，產(chǎn)生黑煙，這種情況下，焊縫剪切強(qiáng)度較低，實(shí)驗(yàn)14#，15#，16#的外觀與其類似。

圖2 焊縫外觀

2.3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)（激光光平均功率為350 W，焊接速度為600 mm/s，離焦量為1 mm，焊接次數(shù)為3）的焊縫進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，然后對(duì)焊縫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，焊縫斷裂發(fā)生在塑料/不銹鋼界面處，圖3a為塑料一側(cè)，表面像脊骨一樣，且有韌窩，這是塑料母材被撕裂的狀態(tài)，表現(xiàn)出韌性斷裂，表明塑料與不銹鋼有較強(qiáng)的粘合度。圖3b為不銹鋼一側(cè)，表面的大部分區(qū)域有塑料殘留，這是因?yàn)椴糠炙芰险尺B在不銹鋼上，部分塑料從不銹鋼材料表面脫落，表現(xiàn)出了塑料的韌性脫落，這種焊縫在塑料側(cè)的韌性斷裂及在不銹鋼側(cè)的韌性脫落有利于提高焊縫的剪切強(qiáng)度。

圖3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

采用500 W光纖激光器對(duì)PA66塑料與304不銹鋼進(jìn)行搭接焊接實(shí)驗(yàn)，通過正交實(shí)驗(yàn)，在最佳工藝參數(shù)條件下，下層不銹鋼吸收的熱量足夠?qū)⑸蠈拥乃芰线M(jìn)行充分熔化，形成均勻一致的焊縫軌跡，此時(shí)焊縫剪切強(qiáng)度最大。

對(duì)剪切強(qiáng)度測(cè)試后的焊縫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，焊縫中靠近塑料一側(cè)有韌窩，表現(xiàn)出韌性斷裂，焊縫中靠近不銹鋼一側(cè)表現(xiàn)出韌性脫落，這種形式有利于提高焊縫的剪切強(qiáng)度。

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Laser Welding Technology for 304 Stainless Steel and PA66 Plastic

WANG Yi, XU Gui-yang

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

The work aims to study the welding technology for stainless steel 304 and PA66 (nylon), so as to improve the weld shear strength. 500 W fiber laser was used to carry out welding experiment on dissimilar materials. Four-factor and four-level orthogonal experiments were carried out on laser power, welding speed, defocusing amount and welding times, and the shear strength of weld was tested. When laser power was 350 W, welding speed was 600 mm/s, defocusing amount was 1 mm, and welding times was 3, the shear strength of weld reached 58 MPa. Range analysis results showed that factors affecting the shear strength of weld were laser power, defocusing amount, welding speed and welding times in sequence. Microstructure analysis results show that welds present ductile fracture on the plastic side and ductile detachmenton side of 304 stainless steel. Plastic and stainless steel are fitted closely, which is beneficial for improving the shear strength of welds.

304 stainless steel; PA66 plastic; laser welding; technology research; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.023

TG456.7

A

1674-6457(2022)01-0182-05

2021-03-08

河南省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102310363）

王毅（1979—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)及其應(yīng)用。