劉 臻，王耀民，王瑛瑋，程亞婷，曹延君

(1.吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所，吉林長春130021;2.吉林省激光工程中心，吉林長春130020;3.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130020)

1 前言

塑料激光焊接最早可以追溯到20世紀(jì)60年代［1］，是一種新興的塑料連接技術(shù)。與傳統(tǒng)的塑料連接方法如膠接，熱熔焊接，摩擦焊接，超聲波焊接等連接方法相比，激光透射焊接具有明顯優(yōu)勢:非接觸式焊接無粉塵等污染物產(chǎn)生，沒有對(duì)模具的磨損，焊接區(qū)域光學(xué)性能良好，加工精度高等［2］。

近幾十年來，由于近紅外激光(NIR)特別是半導(dǎo)體激光成本不斷降低，使這一研究領(lǐng)域又有了更大可發(fā)展的空間［3］。另一方面，塑料是金屬和玻璃的良好替代品在工業(yè)領(lǐng)域中日趨廣泛，現(xiàn)代汽車業(yè)、電子產(chǎn)品、包裝業(yè)、醫(yī)療器械等諸多產(chǎn)業(yè)中都離不開各種工程塑料［4］，而且隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量輕量化要求的不斷增加，工程塑料的種類和適用范圍正不斷在擴(kuò)大。這些都使得塑料的連接成為一個(gè)不可忽視的問題，因此近年來越來越多的研究人員都對(duì)激光透射焊接塑料進(jìn)行了深入的研究，包括各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的探討［5－8］，焊接強(qiáng)度和焊接質(zhì)量的數(shù)值模擬［9－10］等。激光透射塑料焊接技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1 激光透射焊接塑料示意圖Fig.1 Schematic of laser transmission welding of plastics

上層材料為在相應(yīng)的波長處能夠透過激光的塑料，下層材料為吸收激光的塑料。兩層材料疊搭在一起，在夾緊力的作用下激光束以一定的速度掃過重疊部分，此時(shí)下層材料表面將吸收的激光轉(zhuǎn)化成熱能，使吸收表面塑料熔化進(jìn)而加熱上層材料，冷卻后，最終使兩層材料結(jié)合在一起。

性能試驗(yàn)對(duì)于評(píng)價(jià)加工工藝有重大意義，可以給設(shè)計(jì)者提供可用數(shù)據(jù)。為保證激光透射塑料焊接試樣的焊接質(zhì)量，通常要對(duì)接頭的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行測定試驗(yàn)。這些力學(xué)性能指標(biāo)包括剪切強(qiáng)度、正拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及斷裂韌性等。在設(shè)計(jì)焊接接頭時(shí)，根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的承載狀況，人們更為關(guān)心的是接頭的剪切強(qiáng)度。而如何準(zhǔn)確地測定接頭的純剪切強(qiáng)度，目前的研究開展的還比較少。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的各種方法進(jìn)行研究改進(jìn)以期得到一種可獲取激光焊接塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度的測試評(píng)價(jià)方法。

2 激光透射塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度測試方法介紹

現(xiàn)行激光透射塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度測試方法主要有兩種，如圖2所示。圖2(a)兩塊板條搭接未做貼附補(bǔ)償［11－12］，圖2(b)兩塊板條搭接做貼附補(bǔ)償，方法是在單搭接焊接試樣兩端與夾頭之間添加適當(dāng)填充物［13－14］。

圖2 激光透射塑料焊接接頭剪切強(qiáng)度測試試樣Fig.2 Single－ lap specimens in laser transmission welding of plastics

測試時(shí)在試件的兩端施加縱向拉伸力，以一定的速度進(jìn)行拉伸，測定試件焊接接頭破壞時(shí)的最大負(fù)荷P，并通過觀察測量獲得斷口焊接區(qū)域有效面積S，激光焊接接頭剪切強(qiáng)度按下式計(jì)算:

τc=P/S

其中，τc為剪切強(qiáng)度，MPa;P為最大拉力值，N;S為焊接區(qū)域有效面積，mm2。

3 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選取透明有機(jī)玻璃(PMMA)塑料作為上層透過材料，不透明聚苯乙烯(PS)作為下層吸收材料。PMMA試樣幾何尺寸為40 mm×20 mm×1.4 mm，PS試樣幾何尺寸為40 mm×20 mm×4.0 mm;吸收劑選擇普通水性白板筆墨跡(炭黑)。圖3為實(shí)驗(yàn)材料實(shí)物照片。

圖3 實(shí)驗(yàn)材料Fig.3 Material of the experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

S－30－808－4型半導(dǎo)體激光光纖耦合輸出激光器系統(tǒng)，最大輸出功率30 W，波長808 nm;CSS—1102C型全電子萬能試驗(yàn)機(jī);Canon EOS 550D型數(shù)碼照相機(jī)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用單搭接的方式，在剪切拉伸過程中分別采用了圖2當(dāng)中的兩種檢測方法。對(duì)兩組試樣的焊接接頭剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測試。測試在 CSS—1102C型全電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為10 mm/min，試驗(yàn)過程中采用連拍的方法來記錄試樣從未受力狀態(tài)直至斷裂的過程。

4 結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4和圖5分別與圖2(a)、2(b)的剪切測試方法對(duì)應(yīng)兩種檢測方法在拉伸過程中試樣變化。其中:(a)為試樣未被拉伸前;(b)為拉伸過程中。

圖4 未做貼附補(bǔ)償試樣的拉伸過程Fig.4 Photographic view of single － lapped specimen without additional part in shear pulling test

圖5 有貼附補(bǔ)償試樣的拉伸過程Fig.5 Photographic view of single － lapped specimen with additional part in shear pulling test

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量分析

實(shí)驗(yàn)觀測:激光塑料焊接抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)第一種焊接接頭剪切檢測方法(如圖4所示)在拉伸未開始和試樣斷裂前發(fā)生了2°的角度偏轉(zhuǎn)，第二種焊接接頭剪切檢測方法(如圖5所示)在拉伸未開始和試樣斷裂前發(fā)生了4°的角度偏轉(zhuǎn)。造成偏轉(zhuǎn)的原因就是由于試樣所受到的外力不同軸，在拉力F作用下，附加力矩會(huì)使焊接接頭的焊縫處發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)。最終材料在彎矩作用下斷裂。因而剪切試樣的破壞實(shí)際上是由剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力的綜合作用所造成的。

4.3 兩種實(shí)驗(yàn)的試樣受力分析

4.3.1 未做貼附補(bǔ)償情況下剪切試驗(yàn)過程受力分析

目前廣泛應(yīng)用的激光塑料焊接抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣初始受力情況如圖6(a)所示。由于焊接在一起的兩片試樣兩端所受到的外力不同中心，在拉力F作用下焊接面處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力矩M，附加力矩M會(huì)使焊縫處發(fā)生一定角度?的偏轉(zhuǎn)，如圖6(b)所示，從而使拉力F分解為平行于焊接面的剪切力和垂直于剪切面的剝離力，因而剪切試樣的破壞是由剪切力和剝離力的綜合作用所造成，試驗(yàn)得到的破壞力為焊接面真實(shí)抗剪切力與剝離力的合力，而非焊接面的真實(shí)抗剪切力。另一方面，焊接結(jié)合面兩側(cè)的材料在附加力矩M的作用下彎曲，導(dǎo)致整個(gè)焊縫斷裂不同步，測試值與真實(shí)值之間將會(huì)出現(xiàn)一定誤差。

圖6 激光塑料焊接試樣(未做貼附補(bǔ)償)剪切試驗(yàn)過程受力情況Fig.6 Mechanical condition of single－lapped specimen with additional part in shear pullingtest

4.3.2 做貼附補(bǔ)償情況下剪切試驗(yàn)過程受力分析

另一種常見的激光塑料焊接抗剪切強(qiáng)度測試方法是對(duì)兩塊搭接板條做貼附補(bǔ)償，即在試樣兩端與夾頭之間添加適當(dāng)填充物，如圖7(a)所示，其目的是通過貼服補(bǔ)償使上、下兩塊板條重新回到同一中心線上，但整個(gè)試驗(yàn)過程中任一側(cè)貼附塊、試樣和夾頭之間位置無變化，按著作用力與反作用力大小相等、方向相反的原則，作用于板條試樣上的力F與未做貼附補(bǔ)償試樣的情況并無區(qū)別，即仍會(huì)出現(xiàn)附加力矩M的影響，如圖7(b)所示。

圖7 做貼附補(bǔ)償試樣剪切過程受力情況Fig.7 Mechanical condition of single－lapped specimen with additional part in shear pulling test

4.4 萬能材料試驗(yàn)機(jī)夾頭設(shè)計(jì)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響分析

萬能材料試驗(yàn)機(jī)上夾頭利用自動(dòng)調(diào)心機(jī)構(gòu)(萬向節(jié))懸掛于橫梁上，實(shí)驗(yàn)過程中夾頭是可以前后和左右兩個(gè)方向上自由活動(dòng)的(如圖8所示)，目的是拉伸試驗(yàn)過程中上夾頭會(huì)自動(dòng)調(diào)整位置，避免實(shí)驗(yàn)過程對(duì)拉伸試樣帶來附加彎矩，但是，這樣的設(shè)計(jì)在進(jìn)行激光塑料焊接抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，反而加劇了附加力矩M的影響，帶來更大的偏轉(zhuǎn)角度?，并導(dǎo)致貼附補(bǔ)償完全無法起到預(yù)期的作用。

圖8 萬能材料試驗(yàn)機(jī)夾頭可自由擺動(dòng)以調(diào)整試樣中心Fig.8 Universal testing machine chuck

4.5 激光塑料焊接剪切強(qiáng)度試驗(yàn)焊縫偏轉(zhuǎn)角度?的影響因素初步分析

(1)焊縫寬度的影響。焊縫寬度越小，偏轉(zhuǎn)角度?越大，反之越小。

(2)材料彈性模量E的影響。其他條件不變的情況下，材料的彈性模量E越小則?越大。

(3)試樣幾何尺寸的影響。

①試樣厚度的影響。兩塊條狀試件的厚度越大，兩者間的中心距越大，力矩M越大，偏轉(zhuǎn)角度?將越大，但增大厚度的另外一個(gè)作用是:一定力矩M作用下偏轉(zhuǎn)角度?將減小，因此，兩塊條狀試件的厚度越大對(duì)偏轉(zhuǎn)角度?的影響較為復(fù)雜，試樣所用材料剛度E的影響也必將摻雜其中。

②試樣長度的影響。試樣長度越大，裝夾處與焊縫的距離將越大，此時(shí)力矩M不變，但偏轉(zhuǎn)角度?將會(huì)加大。

5 結(jié)論

(1)激光塑料透射焊接技術(shù)中，焊縫的抗剪切強(qiáng)度是最重要的焊接強(qiáng)度測試方法，由于焊接在一起的兩片試樣兩端所受到的外力不同中心，在拉力F作用下焊接面處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力矩M，附加力矩M會(huì)使焊縫處發(fā)生一定角度?的偏轉(zhuǎn)，從而使拉力F分解為平行于焊接面的剪切力和垂直于剪切面的剝離力，試驗(yàn)得到的破壞力并非焊接面的真實(shí)抗剪切力。

(2)另一種激光塑料焊接抗剪切強(qiáng)度測試方法經(jīng)常被采用，改進(jìn)之處是對(duì)試樣裝夾處做貼附補(bǔ)償，其目的是使上、下兩塊板條實(shí)驗(yàn)中所受力重新回到同一中心線上，但仍無法避免附加力矩M的影響，實(shí)驗(yàn)過程中仍將發(fā)生一定角度?的偏轉(zhuǎn)。

(3)萬能材料試驗(yàn)機(jī)上夾頭自動(dòng)調(diào)心機(jī)構(gòu)(萬向節(jié))的作用是拉伸試驗(yàn)過程中上夾頭會(huì)自動(dòng)調(diào)整位置，避免實(shí)驗(yàn)過程對(duì)拉伸試樣帶來附加彎矩。但是，這樣的設(shè)計(jì)在進(jìn)行激光塑料焊接抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，反而加劇了附加力矩M的影響，帶來更大的偏轉(zhuǎn)角度?，并導(dǎo)致貼服補(bǔ)償無法起到預(yù)期的作用。

(4)影響偏轉(zhuǎn)角度?大小的因素很多，經(jīng)初步分析認(rèn)為主要包括:焊縫寬度越小，偏轉(zhuǎn)角度?越大;其他條件不變的情況下，材料的彈性模量E越小則?越大;兩塊條狀試件的厚度影響較為復(fù)雜，難以準(zhǔn)確分析;試樣長度越大，但偏轉(zhuǎn)角度?將會(huì)加大。

［1］ Jr Silvers H J，Wachtell S.Welding and cutting plastic films with a continuous CO2laser［J］.Eng.Proc，1970:88－97.

［2］ Laser－ Welding of Plastics，http://www.dukane.com/us/pla_laser.htm.

［3］ Marcus Warwick，Marcus Gordon.Application studies using through － transmission laser welding of polymers［J］.Joining Plastics(2006)London:National Physical Laboratory(NPL)，2006，08:25 －26.

［4］ Bappa Acherjee，Dipten Misra，Dipankar Bose，et al.Prediction of weld strength and seam width for laser transmission welding of thermoplastic using response surface methodology［J］.Optical ＆ Technology，2009，(41):956－967.

［5］ Lliea M，Cicala E，Grevey D，et al.Diode laser welding of ABS:Experiments and process modeling［J］.Optics ＆ Laser Technology，2009，(41):608 －614.

［6］ Acherjee B，Kuar A S，Mitra S，et al.Selection of process parameters for optimizing the weld strength in laser transmission welding of acrylics［J］.Proc.IMechE，224 Part B:J.Engineering Manufacture:1529 －1536.

［7］ Elhem Ghorbel，Giuseppe Casalino，Stéphane Abed.Laser diode transmission welding of polypropylene:geometrical and microstructure characterisation of weld［J］.Materials and Design，2009，(30):2745 －2751.

［8］ Mingliang Chena，Gene Zaka，Philip JBates.Effect of carbon black on light transmission in laser welding of thermoplastics［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，(211):43 －47.

［9］ James D Van de Ven，Arthur G Erdman.Laser transmission welding of thermoplastics－part I:temperature and pressure modeling［J］.Manufacturing Science and Engineering，2007，129:849 －858.

［10］ Mariana Ilie，Jean － Christophe Kneip，Simone Matte，et al.Through － transmission laser welding of polymers －temperaturefield modeling and infrared investigation［J］.Infrared Physics ＆ Technology，2007，(51):73 －79.

［11］ Xie Long，Liu Liming.Plastic laser welding process and performance of polymer materials［J］.Transactions of the China Welding Institution，2007，28(5):97 － 100.(in Chinese)謝龍，劉黎明.高分子材料塑料的激光焊接工藝及性能［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28(5):97 －100.

［12］ Xiao Wang，Cheng Zhang，Pin Li，et al.Modeling and optimization of joint quality for laser transmission joint of thermoplastic using an artificial neural network and a genetic algorithm［J］.Optics and Lasers in Engineering，2012(50):1522－1532.

［13］ Gong Fei.Research on thermoplastic PPlaser transmission welding technology［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2011.(in Chinese)龔飛.熱塑性塑料PP激光透射焊接技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［14］ Li Jiao.Mechanism and technics research of PMMA/ABS thermoplastic laser transmission welding［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2008.(in Chinese)李姣.PMMA－ABS熱塑性塑料激光透射焊接機(jī)理和工藝的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.