激光透射焊接聚碳酸酯透明塑料板材的工藝研究

激光透射焊接聚碳酸酯透明塑料板材的工藝研究

作為一種承受輕量、抗腐蝕和滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保要求的材料，塑料已成為代替金屬基礎(chǔ)設(shè)施的替代品，如鉻和鐵。對(duì)于熱塑性塑料，主要連接方式為焊接本文采用1910nm波長(zhǎng)的激光器對(duì)聚碳酸酯(PC)塑料板材進(jìn)行了透射焊接實(shí)驗(yàn)。研究了激光功率、焊接速度以及線能量等參數(shù)對(duì)PC塑料板材透射焊接效果的影響規(guī)律，在不添加吸收劑的情況下獲得了較為理想的焊接試件。通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，通過(guò)電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行了拉斷力實(shí)驗(yàn)，確定較好的焊接條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)PC塑料板材的高效焊接，為實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)提供了較為合適的技術(shù)參考。1實(shí)驗(yàn)部分1.1u3000材料PC:板材，PC241R,美國(guó)GE公司。半導(dǎo)體激光器：ES65209,中科正源；紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：UV3600,島津有限公司；光學(xué)顯微鏡：JX-20A,北京老上光儀器有限公司；電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)：DL-5000,天津市港源實(shí)驗(yàn)儀器廠。1.2醫(yī)用塑料復(fù)合識(shí)別激光透射焊接原理如圖1所示，預(yù)焊接PC塑料板材上下層疊加放置，在夾具提供的夾持力的作用下緊密接觸。激光透過(guò)上層PC透明塑料后聚焦于兩層塑料板材結(jié)合面處。處于結(jié)合面處的上下層塑料吸收激光的能量后產(chǎn)生熱量形成熱作用區(qū)域使塑料熔化，熱量在兩層塑料板材之間傳遞，熱熔融狀態(tài)下的塑料分子在壓力的作用下擴(kuò)散和糾纏產(chǎn)生范德華力形成強(qiáng)的鍵合，在冷卻之后形成牢固的焊縫使上下層板材緊密結(jié)合在一起。1.3半導(dǎo)體激光器和固體表面焊接PC塑料板材對(duì)1910nm激光的透過(guò)率較高，約為74%,上層PC塑料不會(huì)吸收較多激光能量使其熔化，能透光的同時(shí)兼具良好的吸收特性，有利于同種PC塑料板材的無(wú)吸收劑透射焊接。實(shí)驗(yàn)采用的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)為1910nm,最大功率為30W,冷卻方式為水冷。激光器通過(guò)光纖與由準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡組成的激光焊接頭連接并固定在三維移動(dòng)控制平臺(tái)移動(dòng)軸上組成焊接系統(tǒng)，如圖2所示。通過(guò)改變?nèi)S移動(dòng)控制平臺(tái)內(nèi)置程序參數(shù)可以調(diào)節(jié)激光焊接頭的采用同種PC透明塑料作為焊接板材進(jìn)行激光透射焊接實(shí)驗(yàn)，板材尺寸為60mm×30mm×1.5mm。在PC透明塑料板材完成表面清潔處理后，采用自制夾具將上下層板材夾持使其緊密接觸。保持激光焊接頭高度不變以控制焦點(diǎn)位置始終處于上下層塑料接觸面，通過(guò)改變內(nèi)置程序參數(shù)將焊接軌跡設(shè)定為沿1.4焊接線能量的測(cè)量試件焊縫的微觀形貌以及拉斷力通常被作為評(píng)價(jià)塑料板材焊接質(zhì)量的兩個(gè)主要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)主要探究影響焊縫質(zhì)量的參數(shù)為激光功率、焊接速度以及線能量。引入了線能量的概念及公式進(jìn)行分析，線能量計(jì)算公式如下：=式中，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接后試件的焊縫微觀形貌進(jìn)行觀察。使用電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試件拉斷力進(jìn)行測(cè)試，將試件兩端分別固定在拉力機(jī)夾具上，夾具以一定的速度運(yùn)動(dòng)，試件拉斷時(shí)電子拉力試驗(yàn)機(jī)所顯示的數(shù)值則為拉斷力數(shù)值。2結(jié)果與討論2.1試驗(yàn)件焊縫形貌及拉斷力分析為了探究焊接速度對(duì)試件焊接效果的影響規(guī)律，設(shè)置激光器的輸出功率為20W,通過(guò)改變激光焊接頭的移動(dòng)速度控制焊接速度，將初始焊接速度設(shè)置為5mm/s,依次以1mm/s的間隔逐漸增加至10mm/s。圖3為在5～10mm/s不同焊接速度條件下的試件焊縫形貌。由圖3可知，當(dāng)焊接速度為5mm/s時(shí)，由于速度較慢，熱量堆積較多，導(dǎo)致試件焊縫嚴(yán)重?zé)?，?dāng)焊接速度為6mm/s時(shí)，試件焊縫中出現(xiàn)大量氣泡，焊接速度為7mm/s時(shí)氣泡減少，當(dāng)焊接速度為8mm/s時(shí)試件焊縫中氣泡完全消失，形成均勻規(guī)整的焊縫。隨著焊接速度自8mm/s逐漸增加至10mm/s。試件焊縫形貌均較為規(guī)整，焊縫寬度逐漸變窄。通過(guò)表1以及圖3a可知，由于焊接速度為5mm/s時(shí)焊縫已經(jīng)炭化，導(dǎo)致此時(shí)的拉斷力較低，試件的拉斷力隨焊接速度在6～10mm/s增加逐漸減小，如圖4曲線a所示。結(jié)合試件的焊縫形貌以及拉斷力測(cè)試結(jié)果，在激光功率為20W時(shí)，焊接速度8mm/s時(shí)的試件焊縫均勻、拉斷力較大，焊接效果理想，此時(shí)最佳線能量為2.5J/mm。在滿(mǎn)足PC塑料制品拉斷力需求的條件下，可以適當(dāng)提高焊接速度來(lái)提高焊接效率。2.2激光功率對(duì)焊縫拉斷力的影響為了探究激光功率對(duì)試件焊接效果的影響，設(shè)置激光焊接頭的移動(dòng)速度為8mm/s固定不變，將激光功率分別設(shè)置為10、15、20、25W進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。圖5為不同激光功率條件下焊縫寬度以及焊縫形貌的變化。當(dāng)激光功率為10～20W時(shí)，試件焊接效果較為理想，焊縫形貌均較為規(guī)整，無(wú)任何氣泡或者燒焦現(xiàn)象。試件焊縫寬度隨著激光功率的增加而增加，說(shuō)明在高功率時(shí)試件表面吸收的光能較多以至于形成較大的熱作用區(qū)域因此拓寬了焊縫寬度。當(dāng)激光功率達(dá)到25W時(shí)，試件焊縫中出現(xiàn)少量氣泡，焊接效果不理想。通過(guò)拉斷力測(cè)試結(jié)果(圖4)表明，試件的拉斷力在10～25W的范圍內(nèi)隨著激光功率的增加而增加。當(dāng)激光功率為25W時(shí)焊縫中出現(xiàn)氣泡，如圖5d所示。因此在焊接速度為8mm/s時(shí)，激光功率為20W時(shí)得到的試件的焊接效果較為理想，此時(shí)線能量為2.5J/mm,與之前實(shí)驗(yàn)得到的最佳線能量一致。2.3線能量對(duì)焊接速度的影響由以上結(jié)果可知，試件在線能量為2.5J/mm時(shí)焊接效果最佳，為了進(jìn)一步探究線能量對(duì)試件焊接效果的影響，進(jìn)行了多組不同線能量下的焊接對(duì)比實(shí)驗(yàn)。表2為在激光功率為30W,線能量在2.1～3.1J/mm范圍內(nèi)變化時(shí)的焊接結(jié)果。線能量為2.1～2.5J/mm之間時(shí)，試件的焊縫形貌較為規(guī)整，拉斷力逐漸增大。當(dāng)線能量為2.5J/mm時(shí)，試件可承受的拉斷力為843N。隨著線能量的持續(xù)增加，當(dāng)線能量2.7J/mm時(shí)，試件焊縫中出現(xiàn)少量氣泡，線能量增加至3.1J/mm時(shí)，焊縫中氣泡大量增加。通過(guò)拉斷力強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著線能量在2.1～3.1J/mm范圍內(nèi)增加，試件的拉斷力逐漸提高，如圖6所示。因此，在激光功率為30W,線能量為2.5J/mm時(shí)，試件的焊接效果最為理想，此時(shí)焊接速度為12mm/s。在最佳線能量為2.5J/mm保持不變的條件下，設(shè)置了激光功率和焊接速度分別為10W,4mm/s;15W,6mm/s;20W,8mm/s;25W,10mm/s以及30W,12mm/s五組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。在線能量為2.5J/mm的條件下，通過(guò)改變激光功率和焊接速度得到的試件的形貌均較為規(guī)整。五組試件的拉斷力分別為827、841、833、837以及843N。因此可知，在同一線能量條件下得到的試件的焊接效果基本一致。當(dāng)激光功率為30W,焊接速度12mm/s時(shí)試件焊接效果理想，焊接效率最高。3改變激光功率和焊接速度時(shí)效果1)在激光功率20W固定不變的條件下，在焊接速度為5～7mm/s時(shí)，焊縫燒焦或存在氣泡，焊接效果不理想。當(dāng)焊接速度為8～10mm/s時(shí)，焊縫形貌規(guī)整，試件拉斷力逐漸下降。2)在焊接速度8mm/s固定不變的條件下，在激光功率10～20W時(shí)，試件焊縫較為均勻，試件拉斷力逐漸提高。當(dāng)激光功率大