透明PMMA塑料焊接試驗

曲兆展, 蔡令波, 謝良越, 王劍磊, 孟憲風, 王春

(山東大學光學高等研究中心，山東 青島 266237)

0 前言

激光透射焊接(Laser transmission welding, LTW)技術是一種用來連接熱塑性塑料的方法，該方法具有焊接強度高、速度快、熱應力小、無污染及操作簡便等優點[1-3]。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為常見的熱塑性塑料，憑借力學性能好、易加工的優勢被廣泛應用于車燈、光學鏡片等制品的生產[4]。近年來國內外學者一直致力于PMMA塑料激光透射焊接在工藝參數優化及理論模擬等方面的研究。王健超等學者[5]使用近紅外激光器對透明PMMA塑料和黑色ABS塑料進行了焊接試驗，研究了激光能量密度對焊縫寬度及熔池深度的影響，并將仿真結果與試驗結果進行了對比，證明了能量密度可對焊接質量進行預測。焦俊科等學者[6]建立了PMMA塑料激光焊接時塑料表面的溫度場分布模型，預測了焊接試件的焊縫寬度和焊接深度，同時研究了塑料單位面積吸收的激光能量和焊接強度之間的關系。黃怡潔等學者[7-8]進行了PMMA塑料和304不銹鋼之間的異種材料激光透射焊接研究，結果表明對焊接強度產生的影響由大到小依次為焊接速度、脈沖寬度、保護氣體流量、峰值功率及光斑直徑等因素，同時利用正交試驗的方法進行工藝參數的優化，獲得了剪切力較高的焊接接頭。蔡錦達等學者[9]使用976 nm的激光進行了透明和黑色PMMA塑料之間的焊接試驗，找到了適合的工藝參數，并指出該試驗中的焊接功率不宜超過30 W。Hubeatir等學者[10]使用808 nm的激光器對不同厚度的PMMA塑料進行了焊接試驗，采用田口法和灰色關聯分析法設計試驗，確定了焊接速度和激光功率等焊接工藝參數的理論最優值，并通過試驗進行了驗證。Acherjee等學者[11]對PMMA和ABS異種塑料進行了焊接研究，采用多目標數值同時優化技術和響應面法作為研究手段，根據期望的優化準則求出焊接參數的最優解，并在仿真模型中找到了最優條件所在的區域。Bideskan等學者[12]采用回歸分析、方差分析和期望逼近函數等方法對PMMA/6061-T6異種材料的試驗數據進行分析，結果表明，焦點位置對搭接剪切力和焊縫寬度的影響最大。

透明塑料是指塑料對可見光和近紅外光的吸收能力非常弱且透過率很高，因此透明塑料之間的焊接是一個亟待解決的工藝難題。目前關于透明PMMA塑料的激光透射焊接試驗較少，常用方法是在下層PMMA塑料的表面涂抹Clearweld吸收劑促進塑料對激光的吸收[13]。相關研究表明透明塑料對1.7～2.0 μm波段的光吸收強烈[14]。因此，文中選擇使用1 710 nm的半導體激光器對透明PMMA塑料進行激光透射焊接試驗，對不同焊接工藝參數得到的試樣的焊縫強度和形貌展開了討論，為工業研究提供了指導。

1 試驗條件

1.1 試驗原理

激光透射焊接的過程如圖1所示。激光在焊接頭內部被準直聚焦后照射到待焊接工件的表面，通過調整焊接頭的高度使激光焦點作用于2層塑料的接觸面附近，透明PMMA材料對1.7 μm激光具有很強的吸收能力，激光被吸收后在塑料接觸面附近形成熱作用區，上下2層塑料發生熔化后在材料熱膨脹和焊接治具提供的壓力作用下產生二次聚合，冷卻后形成焊縫從而實現焊接。

圖1 激光透射焊接的原理圖

1.2 試驗材料

PMMA塑料尺寸60 mm×30 mm×1.5 mm，其相關參數見表1。使用紫外分光光度計對該次試驗所用的透明PMMA塑料進行透光率和吸收率的測試。PMMA塑料對波長在1.7 μm附近的光透過率明顯降低且吸收率較高，對1 710 nm的激光吸收率約為30%，遠強于近紅外和可見光波段，如圖2所示。此外試驗材料不會對1 710 nm激光過度吸收，過度吸收會使激光難以到達2層塑料的接觸面，這體現了1 710 nm激光作為透明PMMA塑料焊接光源的優勢和可行性。

表1 PMMA塑料相關參數

圖2 PMMA塑料的光學性能測試

1.3 試驗設備

焊接的光源為功率20 W的1 710 nm半導體激光器。激光通過纖芯直徑400 μm的光纖耦合輸出，焊接頭由焦距為35 mm的準直鏡和聚焦鏡組成，聚焦后的最小光斑直徑仍為400 μm。焊接頭通過三維移動平臺進行運動(最大移動速度為500 mm/s)，光斑可進行任意軌跡的移動對焊接板材實施圖形加工。得到焊接試樣后，分別使用電子顯微鏡和光學顯微鏡觀察焊縫的整體形貌和微觀形貌，之后使用電子拉力試驗機對焊件進行拉力測試，從試樣的焊接形貌和力學性能兩方面評價焊接效果。

2 試驗結果與分析

2.1 熱輸入對焊接效果的影響

激光功率、焊接速度的大小對焊接試樣的質量有重要的影響。文中在保持焊接頭高度和治具壓力不變的情況下，采用E表征激光熱輸入，其定義為每單位長度焊接線傳遞的能量：

E=P/v

(1)

式中：E為熱輸入，J/mm；P為激光功率，W；v為焊接速度，mm/s。通過剪切力σ表示試樣的強度：

σ=F/(D·L)

(2)

式中：σ為剪切力，MPa；F為焊接試樣的拉斷力， N；D為焊縫寬度，mm；L為焊縫長度，試驗中L=30 mm。在最大的激光功率下調整焊接速度對PMMA塑料進行焊接試驗，試驗結果見表2。

表2 試驗結果

根據表2的結果可以得出焊接試樣剪切力隨激光熱輸入的變化規律，如圖3所示。激光熱輸入為0.95～1.18 J/mm時，2層PMMA塑料的熔合性較好，此時焊縫外觀整體較為規整，焊縫強度隨著激光熱輸入的增加而逐漸增加；當激光熱輸入為1.25 J/mm時，焊縫中出現少許燒焦點，此時焊縫寬度最窄，經計算，試樣的抗剪強度達到了20.55 MPa；此后隨著激光熱輸入在1.25～3.33 J/mm范圍內增加，焊接速度較低使得塑料表面與激光的作用時間過長，材料吸收熱量過多導致焊縫處的溫度超過塑料的分解溫度，PMMA塑料的焊縫發生大面積熔化，焊接試樣的強度逐漸降低。

圖3 試樣抗剪強度隨激光熱輸入的變化規律

部分試樣的焊接效果如圖4所示。使用光學顯微鏡對焊縫中存在的燒焦點和氣泡進行微觀上的進一步放大觀察，如圖5所示。

圖4 焊縫形貌

圖5 焊縫中燒焦點和氣泡的微觀圖

當激光熱輸入為1.25 J/mm時，焊縫中存在少量的燒焦點，激光形成的幾個燒焦點從形狀上呈現出橢圓形，其長半軸長度為450～580 μm，短半軸的長度為220～320 μm，兩者的大小比值接近2∶1；隨著激光熱輸入減小至1.18 J/mm，橢圓形的燒蝕點面積明顯減小，從形狀比例上來看該橢圓形從長半軸被壓縮，逐漸向圓形不斷演化；當激光熱輸入為1.11 J/mm時，燒焦點變為肉眼難以觀察到的小氣泡，氣泡的形貌接近為圓形；此后激光熱輸入繼續降低，氣泡消失，焊縫表面均勻無任何痕跡。圖6所示為焊縫中橢圓形燒焦點和氣泡的最大長半軸和短半軸長度的變化趨勢，圖中誤差線所至位置為長短半軸的最小長度。

圖6 焊縫燒焦點形狀的變化規律

2.2 斷口形貌分型

使用電子拉力機對焊接試樣進行拉力測試時將夾具的運動速度設置為25 mm/min，如圖7所示。圖8為部分試樣拉力測試后的形貌，發現激光熱輸入為1.0～3.3 J/mm時，無論PMMA塑料是否燒焦，焊接試樣均從焊縫邊緣處發生斷裂。這是因為激光透射焊接2層材料時焊縫邊緣位置處的應力大小會大于激光掃掠過的焊縫中心位置，熱應力的集中導致塑料易從焊縫附近斷裂。焊接試樣發生斷裂意味著實際焊接的強度要明顯大于塑料斷裂所得到的焊接強度，表明1 710 nm的激光可以有效直接的焊接2層透明的PMMA塑料，最大抗剪強度大于20.55 MPa。

圖7 拉力測試過程

圖8 拉力測試后的部分焊接試樣

3 結論

利用透明PMMA塑料對1 710 nm激光吸收能力較強的特性，在不添加激光吸收劑的情況下，實現了2層透明PMMA塑料的焊接。當激光熱輸入為0.91～1.11 J/mm時，焊縫外觀均勻無燒焦點，最大的焊接強度超過了17.8 MPa；當激光熱輸入為1.25 J/mm時，焊縫中存在少量燒焦點，此時焊縫強度最大，超過了20.55 MPa；當激光熱輸入超過1.43 J/mm時，PMMA塑料產生分解，焊接強度逐漸下降。1 710 nm激光是一種焊接透明PMMA塑料的理想光源，焊接過程中應控制激光熱輸入以獲得焊接質量較好的試件。