异种透明塑料焊接机理及焊缝特征研究.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：异种透明塑料焊接机理及焊缝特征研究张杰，李永岗，王桂刚（青岛爱尔家佳新材料股份有限公司，山东青岛 ）摘要：以低熔点镁锌合金（）粉末为激光吸收剂，实现聚芳砜（）和聚碳酸酯（）的焊接。使用 软件追踪了激光与 粉末相互作用过程，扫描电镜（）与焊缝元素分析（）探究异种透明塑料焊接机理，最后探究了粉末粒径、粉末层宽度和厚度对焊接强度及焊缝特征的影响。结果表明：激光与 粉末相互作用过程为复合反射行为，并沿着金属颗粒的间隙向前传播；焊接接头是由“钉扎”结构和化学键合共同组成的；在 粉末粒径为 、粉末层宽度为 、粉末层厚度为 的条件下，焊接件具有最优的焊接效果。关键词：异种透明塑料；金属粉末；焊接机理；射线追踪中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（）（）（）（）（），；“”；，：；激光透射焊接（）技术是一种新型的无接触绿色塑料焊接方式，具有焊接速度高、热影响区小、连接强度高、焊缝变形小等优点。相比于摩擦焊 、超声波焊 和振动焊 等，技术具有易于实现自动化、适用复杂结构特征零部件成型、精度高、焊缝清洁无杂质等优点 。但是透明塑料对近红外短波长激光具有弱吸收的特征。国内外研究学者一方面探究新型无色染料吸收剂，同时开发具有体加热特征的近红外长波长激光，这两种技术均可以实现透明塑料焊接，但是无法解决异种塑料相容性差的问题。异种透明塑料的焊接可以将具有特殊优异性能的材料进行结合，实现兼具特殊功能零部件的制备，在高端医疗装备和精密光学传感器领域具有广泛的应用 。但是受限于异种塑料分子量、分子链结构和凝聚态特征等物理性质差异，异种塑料焊接接头存在严重的界面相容性差、分子链相互扩散深度浅的问题，进而导致焊接接头强度偏低 。金属类激光吸收剂具有导热率高、稳定性好的优势，作为激光吸收剂不仅能够实现将激光携带的电磁能转化为热能，而且能够在焊接接头处生成特殊的连接结构，从而解决异种塑料相容性差导致的焊接强度低问题。本文以低熔点镁锌合金（）粉末为激光吸收剂，实现异种透明塑料聚芳砜（）和聚碳酸酯（）的焊接；通过微观形貌表征，验证焊接机理；在射线追踪探究激光与 粉末相互作用过程的基础上开展粉末特征对焊接效果影响的研究。材料与方法 实验材料透明塑料 和 是由瑜欣塑料有限公司提供，样件为长度 、宽度 、厚度 的薄片。为了避免样件表面的污垢及杂质对焊接效果的影响，酒精清洗后，超声处理 ；为了避免水分对焊接效果的影响，清洗之后的样件放在温度为 的烘干箱中干燥 ，自然冷却至室温后进行实验。球形镁锌合金（）粉末（纯度 ）是由长沙天九有限公司提供，为避免团聚现象的发生，并保证粒径具有良好分散分布特征，使用型号为 的球磨机预处理 ，之后将处理过的金属粉末放在温度为 的烘干箱中干燥，自然冷却至室温后通过自行设计的热压固粉装置进行热压固粉。实验方法及表征实验过程是由热压固粉和激光透射焊接两部分组成。压粉装置及过程如图（）所示。过程为：将 粉末，填充在压头与隔热板之间的间隙中，然后将 板放置在压板与隔热板之间，对压板施加恒定的压力（）。停留一段时间（）之后，填充在隔热板与压头之间的金属粉末被嵌入 板内部。取出 板，热压固粉过程完成。激光透射焊接过程如图（）所示。过程为：激光透过 层，作用在 粉末层，产生 年 月云南化工 第 卷第 期 ，的热量以热传导的形式向周围扩散，促进 和 的熔融，熔融塑料冷却之后形成稳定接头。图 热压固粉过程（）和激光透射焊接过程（）示意图焊接设备为苏州长光华芯光电技术股份有限公司生产的型号为 的半导体激光器，设备参数如表 。表 激光器的设备参数参数数值激光波长 最大输出功率 脉宽 脉冲频率 光纤直径 使用计算机断层扫描（）对焊接件接头形貌进行分析。焊接件的拉伸性能测试在型号为 的微电子拉力机上完成的。对 焊接件接头进行切割、抛光后，通过扫描电子显微镜（）和光学显微镜（）对焊缝形貌进行观察。焊接件拉断之后，通过 射线光电子能谱（）分析仪对焊接区域进行元素扫描。射线追踪激光 粉末相互作用的研究通过光学仿真软件 完成。仿真过程中金属粉末材料设置为金属镁，光源设置为半径为 的圆，圆内射线数目为 ，每条射线的能量通量为，激光能量为均匀分布，波长为 。实验方案在预实验的基础上，焊接过程中的激光线能量密度为 ，夹紧力为 、金属粉末特征如表 所示。表 粉末层分布特征工艺参数水平粉末粒径 粉末层宽度 粉末层厚度 结果与讨论 焊接机理分析 激光 粉末相互作用过程激光作用于金属粉末层时，粉末层对激光的吸收不仅受到激光作用波长、粉末温度、入射光偏振态、激光入射角和粉末表面状态的影响，还受到粉末层特征的影响 。粉末颗粒间的间隙，导致激光具有更强的复合反射和穿透能力，因此增强了激光与粉末层的相互作用 。等 人的研究表明，激光在金属块中的渗透深度小于在金属粉末中的渗透深度。射线追踪法可以追踪激光在材料内部的运动路径，实现对激光与材料相互作用过程研究 。当激光垂直作用在金属粉末层上时，发生复杂的相互作用。在局部放大图（图 ）中看到：在激光透过金属粉末层的过程中，一部分激光被反射，另一部分被吸收、散射，并沿着金属颗粒之间的间隙向前传播。在此过程中，金属粉末的表面结构和粉末层的孔隙率对激光吸收率有显著影响。图 激光透过金属粉末层过程中的复合反射行为 焊接接头特征以粒径为 的 粉末，在粉末层宽度为 、粉末层厚度为 条件下进行热压固粉。压粉件以及压粉之后与 的焊接件如图（）所示。为了更加全面、直观的得到 粉末在焊接接头的内部的结构特征及分布情况，使用 对焊接接头进行扫描，结果如图（）所示（粉末熔合在一起，形成一个熔合体）。值得注意的是，连续体的表 年 月云南化工 第 卷第 期 ，面并不光滑，存在大量的间隙和不规则的起伏特征。因此可以判断，在接头上，和 基体与具有间隙和起伏特征的 熔合体结合、相互穿插，形成相互渗透的“钉扎”结构。嵌接在 和 界面上的“钉扎”结构有助于提高焊接件的机械性能 。为了验证 粉末嵌接在 和 界面上，在图（）的三个指定位置（、和 ）上进行切片分析，结果如图（）所示（亮白色的 粉末嵌接在 和 界面上，形成稳定接头）。焊接件拉断后，对焊接区域上的化学元素成分分析。图（）为元素全谱图，图（）和（）分别为 峰 和 峰 精 细 谱 图。在 结 合 能 为 、和 的位置处分别出现了 、和 三种元素。元素的存在是由于 焊接件在拉断的过程中部分 残留在 表面形成的；和 是 粉末的主要成分，因此在元素全谱图中可以看到 、元素的存在。进一步对 和 峰精细谱图进行分析，在图（）中，结合能为 的位置出现有金属碳化物；图 （）中，存 在 键（结 合 能 为 、）和 键（结 合 能 ）。因此根据 分析结果得到：以 粉末为吸收剂的 焊接过程中，粉末与塑料基体发生化学反应形成新的化学键，在焊接接头处产生化学键合。图 样件宏观形貌（），得到的焊缝整体形貌（），焊缝指定位置断面形貌（）图 焊接区域的化学元素全谱图（）、峰精细谱图（）和 峰精细谱图（）粉末粒径的影响图（）为在粉末层宽度 、粉末层厚度为 条件下，粉末粒径对 焊接件剪切强度的影响。从图 中看出，随着粉末粒径的增加，焊接件的剪切强度逐渐增大，当 粉末粒径为 时，剪切强度达到 。进一步通过 对焊接接头的微观形貌进行分析，如图（）所示。由图（）看出，在 粉末粒径为 的条件下，大部分 粉末保持其原始形态，表明 粉末之间没有熔合，焊接接头上不存在机械铆接结构。当 粉末粒径为 时，图（）中红色的点划线突出显示了在接头界面上存在 粉末熔合过程中产生的熔合线，而且熔合的 之间的间隙被塑料基体填充。这说明熔合的 在 焊接件接头内形成“钉扎”点，有利于提高焊接件的剪切强度。当 粉末粒径为 时，焊接接头上存在更大的 粉末熔合形成的“钉扎”点，因此焊接件具有更大的剪切强度。粉末层宽度的影响图（）为 粉末粒径为 、粉末层厚度为 条件下，粉末层宽度对 焊接件剪切强度的影响。从图（）中看出，随着粉末层宽度的增加，焊接件的剪切强度先上升后下降，当 粉末层宽度为 时，焊接件具有 最 大 剪 切 强 度。通 过 对 粉 末 层 宽 度 为 、和 条件下制备的 焊接件接头微观形貌观察，在 粉末层宽度为 的条件下（图（），焊接接头处存在明显的裂纹，这是由于过高的焊接温度加剧焊接接头处 、和 粉末之间物理性能差异，形成较大焊接应力导致的，裂纹的存在对焊接件物理性能产生不利的影响。当 粉末层宽度为 时，熔合的 嵌接在塑料基体中，而且熔合的 之间的间隙被塑料基体填充（如图（）。这说明熔合的 粉末可以作为 焊接件接头的“钉扎”结构点，从而提高焊接件的剪切强度。进一步增加 粉末层宽度，从图（）中看到，塑料基体上有大量的气孔，红色虚线标注的区域中 粉末间存在细小的间隙，这可能是由于粉末层宽度的增加过程中伴随着激光光斑中心功率密度的下降，因此焊接接头处的温度水平下降，这导致 年 月云南化工 第 卷第 期 ，接头处部分塑料基体的熔融不充分，塑料熔体未能完全将 粉末之间的间隙填充，形成孔隙。孔隙的存在增加了拉断过程中裂纹产生的机率，因此焊接件的剪切强度出现下降。图 粉末粒径对焊接件剪切强度（）和微观形貌（、）的影响图 粉末层宽度对焊接件剪切强度（）和微观形貌（、）的影响 粉末层厚度的影响图（）为在 粉末粒径为 、粉末层宽度为 条件下，粉末层厚度对 焊接件剪切强度的影响。从图（）中看出，随着粉末层厚度的增加，焊接件的剪切强度先上升后下降，当 粉末层厚度为 时，焊接件具有最大剪切强度。这是由于粉末层厚度影响激光透过 粉末层过程中复合反射次数，进而导致不同的吸收特征，在焊接接头形成不同的温度水平，从而造成焊接效果的差异。通过 对粉末层厚度为 、和 条件下制备的 焊接件接头微观形貌观察。在 粉末层厚度为 的条件下（图（），焊接接头处 粉末层中存在尺寸较大的孔隙。孔隙的存在可能是由于 粉末层厚度较小，焊缝温度较低，和 熔融不充分，因此 粉末之间的间隙未能完全填充，形成间隙。当 粉末层厚度为 时（图（），粉末层中有熔合的 ，而且 粉末间的间隙完全被塑料基体填充。然而当粉末层厚度增加到 时，在 粉末层的中心位置出现明显缺陷（裂纹），并且在 粉末层与塑料基体的边界处存在气孔（如图（）所示）。粉末层厚度的增加导致熔融 和 在粉末层中穿插流动的阻力增加，粉末不能完全被包裹，在焊接接 年 月云南化工 第 卷第 期 ，头形成裂纹；气孔的存在是由于粉末层厚度的增加导致 粉末对激光吸收率的增加，进而产生较高的温度水平，导致塑料热降解产生气体，并在 粉末层与塑料的结合处聚集而成。图 粉末层厚度对焊接件剪切强度（）和微观形貌（、）的影响 结论）激光与 粉末相互作用过程为复合反射行为，并沿着金属颗粒的间隙向前传播；）粉末在焊接接头熔合形成具有粗糙结构特征的连续体，与塑料基体共同作用组成“钉扎”结构，同时塑料基体与 粉末产生化学键合有利于改善界面作用；）在 粉末粒径为 、粉末层宽度为 、粉末层厚度为 的条件下，焊接件具有最优的焊接效果。参考文献：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：?，：，：，（）：，：，：，（）：章佳窈 钨合金选区激光熔化的吸收行为模拟及实验研究 南京：南京航空航天大学，杨莹 铝合金选区激光熔化的吸收行为模拟与实验研究 南京：南京航空航天大学，：收稿日期：作者简介：张杰（），男，山东临沂人，学士，工程师，主要从事高分子材料的研发及应用。