高速重復掃描激光塑料焊接工藝研究

題園園

高速重復掃描激光塑料焊接工藝研究

題園園

（廣州工程技術職業學院，廣州 510900）

提高PA66塑料的焊縫剪切強度，達到實際生產要求。采用高速掃描振鏡對PA66塑料進行掃描激光焊接，分析重復焊接次數對塑料焊縫外觀及剪切強度的影響，并且對焊縫截面進行測試，分析工藝參數對焊縫截面的影響規律。通過對工藝參數（激光平均功率、重復焊接次數、焊接速度、離焦量）進行四因素四水平正交實驗，得到焊縫剪切強度最大的工藝參數。焊縫剪切強度最大為174 MPa，達到母材剪切強度的91%，對應的最佳工藝參數為，激光平均功率為70 W，焊接速度為900 mm/s，離焦量為6 mm，重復掃描次數為30。影響焊縫剪切強度的主要參數為重復焊接次數，其次為焊接速度，再次為離焦量，最次為激光平均功率。采用高速重復掃描焊接，塑料每次吸收的激光能量較低，通過熱量逐漸積累而達到焊接的效果，可以有效解決塑料中雜質產生的焊縫燒傷，而且焊縫軌跡更加均勻一致，提高了焊縫剪切強度，滿足實際生產要求。

重復掃描；PA66塑料；激光焊接；工藝研究

采用焊接的方式將塑料件連接起來，可以提高焊縫強度、增加焊縫壽命長、增強密封性等[1-3]。塑料焊接傳統的方式主要有超聲波焊接以及熱壓板焊接，但是超聲波焊接有高頻振動，容易對產品內部的電子元器件產生振動損傷，而且容易產生塑料碎末，影響產品的質量；熱壓板焊接由于和產品直接機械接觸，可能會損傷焊縫表面，而且生產效率較低。激光焊接沒有振動，且與產品非接觸，很好地避免了超聲波焊接和熱壓板焊接產生的問題，可以極大提高產品質量以及生產效率，是最理想的一種塑料焊接方式[4-6]。

隨著塑料焊接需求的增加，國內外對塑料焊接的研究也越來越多[7-14]。陳志等[15]對近年來塑料激光透射焊接領域的研究動態進行了綜述，并對塑料激光透射焊接技術的未來發展趨勢進行了預測和展望。方濤等[16]采用波長為1700 nm的半導體激光器作為加工熱源，對透明材料FEP塑料進行了焊接研究。韋宏等[17]對熱塑性材料焊接工藝參數，如激光功率、掃描速度以及離焦量做了優化研究，分析了工藝參數對焊接效果的影響。但在實際生產中，由于塑料材料中少量雜質的存在，激光焊接時，容易產生焊縫表面燒傷，無法滿足實際生產要求。

文中采用高速重復掃描的方式，對PA66塑料進行激光焊接，研究焊接工藝參數對焊縫外觀及剪切強度的影響，為實際生產提供有價值的技術參考。

1 產品要求及實驗平臺

1.1 產品要求

選擇PA66塑料添加質量分數為30%的玻璃纖維進行研究，在注塑前，未添加吸光劑時，為乳白色塑料，塑料對波長為900～1100 nm的激光透過率為40%，作為上層透光層材料。在塑料PA66+30%玻璃纖維（質量分數）中，在注塑前，添加質量分數為0.5%的碳黑，此時為黑色塑料，對波長為900～1100 nm的激光透過率為5%，作為下層吸光層材料。將上下2層材料分別注塑成長×寬×厚為20 mm×40 mm×2 mm的板材，并用酒精擦洗，去除污垢。采用搭接方式進行焊接，透光層材料在上，吸光層材料在下，激光能量被下層材料吸收，產生熱量，然后熱傳導到上層材料，使上、下層塑料結合，激光與材料的作用方式如圖1所示。

圖1 激光塑料焊接方式

1.2 實驗設備設計

采用半導體激光器作為焊接熱源，品牌為武漢銳科激光，型號為LD-100，半導體激光器的電光轉化效率達到40%，且半導體激光器的光束在聚焦光斑范圍內能量分布均勻，可以對塑料進行均勻加熱，使焊縫更加美觀一致。采用高速振鏡作為激光焊接工作臺，激光束可以在平面內高速運行，達到快速加熱焊接的目的，塑料焊接實驗平臺如圖2a所示。采用自制的夾具對上、下層塑料進行壓緊，夾具的上蓋壓板為透光玻璃，底座為鋁合金材料，在氣缸的作用下，底座向上頂起，將塑料板材壓緊，保證焊接的一致性，夾具如圖2b所示。采用拉力機對焊縫進行剪切強度測試，品牌為濟南華興試驗設備有限公司，型號為WDH-10，如圖2c所示。

圖2 焊接及測試實驗平臺

2 結果與分析

2.1 工藝參數正交優化實驗

為了得到最佳的焊接工藝效果，對激光功率、焊接速度、離焦量、重復焊接次數進行四因素四水平正交實驗，激光平均功率低于50 W時，焊縫剪切強度較低；激光平均功率大于80 W時，焊縫表面有輕微燒傷。焊接速度低于800 mm/s時，焊縫表面有輕微的燒傷痕跡；焊接速度大于1100 mm/s時，焊縫剪切強度較低。離焦量為0時，焊縫表面有輕微燒傷；離焦量大于6 mm時，焊縫剪切強度較低。重復焊接次數為10時，焊縫剪切強度較低；重復焊接次數為40時，焊縫表面有輕微燒傷。四因素四水平正交實驗的因素水平如表1所示。

表1 因素水平

Tab.1 Factors and levels

四因素四水平正交實驗中，共16組實驗組合，焊縫剪切強度測試方法為：采用拉力機夾頭將產品兩端夾緊，拉力機對焊縫進行拉伸，直到焊縫脫落，記錄下剪切力值，然后通過式（1）得到焊縫的剪切強度。

=/(1)

式中：為剪切強度；為剪切力；為焊縫面積。

正交實驗組合及剪切強度結果如表2所示，焊縫剪切強度達到最大的174 MPa，達到母材剪切強度（190 MPa）的91%，即激光平均功率為70 W，焊接速度為900 mm/s，離焦量為6 mm，重復焊接次數為30時，為最佳工藝參數，對應的工藝參數組合為A3B2C4D3，即實驗編號10。

2.2 直觀分析

對正交實驗的結果進行直觀分析，將因素A取水平1時的4組實驗剪切強度進行疊加，得到統計量記為1；同理，分別將因素A，B，C，D在各自水平下的剪切強度進行統計，然后將同一因素在不同水平時的最大值與最小值相減，得到極差值，記為，直觀分析及結果如表3所示。其中值越大，表明該因素對焊縫剪切強度的影響程度越高，從表3可知，影響焊縫剪切強度大小的主要參數為重復焊接次數，其次為焊接速度，再次為離焦量，最次為激光平均功率。

表2 正交實驗

Tab.2 Results of orthogonal experiment

表3 正交實驗直觀分析

Tab.3 Visual analysis of orthogonal experiment

2.3 焊縫外觀及內部結構分析

采用高速振鏡對焊縫重復掃描焊接，當重復焊接次數為10時，焊縫外觀如圖3a所示，焊縫表面有明顯燒傷的痕跡，對焊縫燒傷位置進行切片處理，焊縫內部有明顯的碳化現象，如圖3d所示，這是因為焊接次數較少，需要較低的焊接速度，才能將材料焊接上，但是由于焊接速度較低，單位時間產生的熱量較大，材料溫度迅速升高，材料內部低熔點的材料產生碳化，在焊縫表面留下燒傷痕跡。當重復焊接次數為20時，焊縫外觀如圖3b所示，焊縫表面有輕微燒傷的痕跡，對焊縫燒傷位置進行切片處理，焊縫內部有輕微的碳化現象，如圖3e所示，這是因為焊接次數增加，焊接速度也相應增加，單位時間產生的熱量較大，材料內部低熔點的材料產生少量碳化，在焊縫表面留下少量的燒傷痕跡。當重復焊接次數為30時，焊縫表面沒有燒傷，如圖3c所示，對焊縫進行切片處理，焊縫內部沒有碳化現象，如圖3f所示，這是因為焊接次數的增加，焊接速度也相應增加，即可實現焊接，單次焊接產生的熱量較小，依靠多次重復焊接，使溫度緩慢升高，直到材料熔化形成焊縫，內部低熔點的材料不會發生碳化，在焊縫表面不會產生燒傷痕跡。

圖3 不同重復焊接次數下焊縫外觀及切片

3 結論

通過激光功率、焊接速度、離焦量，掃描次數這4個工藝參數進行四因素四水平正交實驗，得到最佳的焊接效果，即焊縫剪切強度最高。

針對PA66塑料焊接，采用高速振鏡對焊縫進行快速重復掃描焊接，使單次焊接產生的溫度較低，依靠多次重復焊接，使溫度緩慢升高，直到材料熔化形成焊縫，內部低熔點的材料不會發生碳化，在焊縫表面不會產生燒傷痕跡。

[1] 張宗波, 王曉東, 羅怡, 等. 超聲波塑料焊接機理[J]. 焊接學報, 2010, 31(11): 29-32.

ZHANG Zong-bo, WANG Xiao-dong, LUO Yi, et al. Ultrasonic Welding Mechanism of Thermoplastics and Its Thermal Process[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2010, 31(11): 29-32.

[2] 梁召峰, 周光平, 莫喜平, 等. 具有開槽結構的大尺寸立方形超聲塑料焊接焊頭的設計[J]. 工程設計學報, 2009, 16(3): 200-204.

LIANG Zhao-feng, ZHOU Guang-ping, MO Xi-ping, et al. Design of Large Cross-Section Block Horns with Slots for Ultrasonic Plastic Welding[J]. Journal of Engineering Design, 2009, 16(3): 200-204.

[3] 龐振華, 張衛, 任豪, 等. 激光技術在異種塑料材料焊接中的應用[J]. 機電工程技術, 2014(4): 96-100.

PANG Zhen-hua, ZHANG Wei, REN Hao, et al. Applications of Laser Technology on the Welding of Dissimilar Plastics[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2014(4): 96-100.

[4] 陳國, 夏毅然, 孔令斌, 等. 塑料焊接技術及其在醫用制品中的應用[J]. 工程塑料應用, 2003, 31(9): 35-38.

CHEN Guo, XIA Yi-ran, KONG Ling-bin, et al. Plastics Welding Technology and Its Application in Medical Product[J]. Engineering Plastics Application, 2003, 31(9): 35-38.

[5] 王霄, 季進清, 張惠中, 等. 基于全息技術的激光透射塑料焊接研究[J]. 激光技術, 2008, 32(5): 510-512.

WANG Xiao, JI Jin-qing, ZHANG Hui-zhong, et al. Study of Laser Transmission Welding of Plastics Based on Holographic Technology[J]. Laser Technology, 2008, 32(5): 510-512.

[6] 劉保光, 王霄, 劉偉, 等. 激光透射點焊車用材料PMMA的工藝優化[J]. 中國激光, 2016, 43(5): 53-62.

LIU Bao-guang, WANG Xiao, LIU Wei, et al. Process Optimization of Laser Transmission Spot Welding Using Material PMMA for Automotive Industry[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(5): 53-62.

[7] 趙甜甜, 林書玉, 段祎林. 類聲子晶體結構對超聲塑料焊接工具橫向振動的抑制[J]. 物理學報, 2018, 67(22): 201-207.

ZHAO Tian-tian, LIN Shu-yu, DUAN Yi-lin. Suppression of Lateral Vibration in Rectangular Ultrasonic Plastic Welding Tool Based on Phononic Crystal Structure[J]. Acta Physica Sinica, 2018, 67(22): 201-207.

[8] 杜偉, 黃智明. 超聲塑料焊接工具的快速原型設計[J]. 機械設計與制造, 2010(5): 246-248.

DU Wei, HUANG Zhi-ming. Method of Rapid Prototyping Design for Ultrasonic Plastic Welding Tool[J]. Machinery Design & Manufacture, 2010(5): 246-248.

[9] 黎曉貞, 黃華福, 鄒文生, 等. 超聲波焊接技術在繼電器塑料殼體連接中的應用[J]. 塑料工業, 2018, 46(11): 115-118.

LI Xiao-zhen, HUANG Hua-fu, ZOU Wen-sheng, et al. Application of Ultrasonic Welding Technology in Relay Plastic Housing Connection[J]. China Plastics Industry, 2018, 46(11): 115-118.

[10] 嚴長, 李品, 劉會霞, 等. 工藝參數對激光透射焊接PA66的間隙、熔深和剪切強度的影響[J]. 激光與光電子學進展, 2013, 50(12): 121-128.

YAN Chang, LI Pin, LIU Hui-xia, et al. Influence of Process Parameters on Weldment Gap, Depth of Fusion and Lap-Shear Strength of PA66 with Laser Transmission Welding[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(12): 121-128.

[11] 成楨, 郭建中. 大尺寸立方體開槽超聲塑料焊接工具頭的優化設計[J]. 聲學技術, 2010, 29(1): 103-106.

CHENG Zhen, GUO Jian-zhong. Optimized Design of Large Size Block-Like Slotted Horn for Ultrasonic Plastic Welding[J]. Technical Acoustics, 2010, 29(1): 103-106.

[12] 王健超, 張瑄珺, 張偉, 等. 激光塑料焊接工藝研究與數值模擬分析[J]. 應用激光, 2014, 34(3): 233-237.

WANG Jian-chao, ZHANG Xuan-jun, ZHANG Wei, et al. Process Research and Numerical Simulation Analysis of Laser Welding of Plastics[J]. Applied Laser, 2014, 34(3): 233-237.

[13] 劉臻, 王耀民, 王瑛瑋, 等. 激光透射塑料焊接剪切強度測試方法分析研究[J]. 激光與紅外, 2014, 44(3): 241-245.

LIU Zhen, WANG Yao-min, WANG Ying-wei, et al. Study on Tensile Shear Strength Testing of Plastic Plaques Jointed by Laser Transmission Welding[J]. Laser & Infrared, 2014, 44(3): 241-245.

[14] 王傳洋, 沈璇璇. 聚丙烯激光透射焊接工藝及性能研究[J]. 激光與光電子學進展, 2015, 52(2): 177-182.

WANG Chuan-yang, SHEN Xuan-xuan. Techniques and Performance Research on Laser Transmission Welding of Polypropylene Plastic[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2015, 52(2): 177-182.

[15] 陳志, 張婉清, 顏昭君. 塑料激光透射焊接技術的研究動態和發展趨勢[J]. 應用激光, 2020, 40(3): 184-191.

CHEN Zhi, ZHANG Wan-qing, YAN Zhao-jun. Plastic Laser Transmission Welding Technology and Research Trends[J]. Applied Laser, 2020, 40(3): 184-191.

[16] 方濤, 于捷. 透明FEP塑料激光焊接工藝研究[J]. 塑料科技, 2019, 47(11): 79-81.

FANG Tao, YU Jie. Study on Laser Welding Technology of Transparent FEP Plastic[J]. Plastics Science and Technology, 2019, 47(11): 79-81.

[17] 韋宏, 王傳洋. 聚碳酸酯激光透射焊接工藝及性能研究[J]. 中國激光, 2011, 38(11): 94-97.

WEI Hong, WANG Chuan-yang. Technics and Performance Research of Laser Transmission Welding Polycarbonate Plastics[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(11): 94-97.

High Speed Repeated Scanning Laser Welding Process for Plastics

TI Yuan-yuan

(Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510900, China)

The work aims to improve the shear strength of PA66 plastics welds, so as to meet the actual production requirements. The high speed scanning galvanometer was used to carry out scanning laser welding for PA66 plastics. The effects of repeated welding times on the appearance and shear strength of plastic welds were analyzed, and the cross section of welds was tested. Then, the effect of process parameters on cross section was analyzed. Four-factor and four-level orthogonal experiments were carried out to process parameters (laser power, repeated welding times, welding speed and defocus) to obtain the parameter for the maximum shear strength of the welds. The maximum shear strength of welds was 174 MPa, reaching 91% of the parent material strength. The corresponding optimal process parameters were average laser power of 70 W, welding speed of 900 mm/s, defocusing amount of 6 mm, and repeated scanning times of 30 times. The factors affecting the shear strength of the welds were repeated welding times, welding speed, and average laser power in the order of primary to secondary. With high speed repeated scanning welding, the laser energy absorbed by the plastic is low every time, and the welding effect is achieved through the gradual accumulation of heat, which can effectively solve the weld burn caused by impurities in the plastic, and the weld trajectory is more uniform and consistent, which improves the shear strength of the weld and meets the actual production requirements.

repeated scanning welding; PA66 plastics; laser welding; process research

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.013

TG456.7

A

1674-6457(2022)03-0102-05

2021-05-06

2021年校級質量工程立項項目-教育教學改革項目（YJG202106）；2021年校級質量工程立項項目-大學生創新創業訓練項目（YDC202106）

題園園（1986—），女，碩士，講師，主要研究方向為焊接自動化、圖像處理、機器人技術。