塑料的半导体激光焊接工艺研究

蔡锦达，李 翔，王 颖

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.中国科学院 上海光学精密机械研究所，上海201800,China)



塑料的半导体激光焊接工艺研究

蔡锦达1，李 翔1，王 颖2

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.中国科学院 上海光学精密机械研究所，上海201800,China)

采用50 W半导体激光器进行塑料焊接实验。为了研究半导体激光对常见塑料的焊接工艺，以透明和不透明PMMA作为实验材料，通过控制变量法，分别单独改变实验过程中几个工艺参数，设计不同工艺焊接实验，寻找PMMA的最佳组合工艺参数范围。结果发现，焊接功率为10 W，焊接速度为20 mm/s，光斑直径为1.6 mm是其中一组优秀工艺参数组合。此外，在实验用激光器条件下，用于焊接PMMA的焊接功率不宜超过30 W。

塑料焊接；半导体激光；PMMA；工艺参数

CAI Jinda1, LI Xiang1, WANG Ying2

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science &Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

多年来，在研究诸多塑料焊接技术中有热气焊接法、摩擦焊接以及超声波焊接等[1-3]。然而随着激光技术的应用，产生了大量的激光设备。这使得激光透射焊接作为全新的塑料焊接技术逐渐进入人们的视野[4]。相比于上述传统的塑料焊接方法，激光焊接具有多种优势，其更加环保，由于其属于非接触焊接，所以产生的振动应力和热应力更小，这使得被焊件的热变形较小，热影响区也相应较小，焊接质量要高于其他方式[5-6]。

1 激光透射焊接原理

本文采用的半导体激光焊接技术基于透射焊接原理，焊接前需要将两层对激光具有不同吸收性的塑料叠放在一起。其中，上层塑料需要对所用激光具有较高的通透性，相反，下层塑料需对激光具有较高的吸收性。与此同时，需要有一定的焊接压力[7]。然后在焊接过程中，将激光束聚焦于两层塑料的接触面，即待焊接面。当激光扫过待焊面，下层吸收材料吸收热量，使自身熔化，同时吸收的热量会传导到上层材料使其熔化。上下两层熔化的材料形成热熔融区，热熔融区的塑料分子在一定的压力下互相扩散，并产生范德华力，进而发生二次聚合，冷却后形成焊缝，从而使两层塑料焊接在一起[8]。

2 实验设备及实验材料

2.1 激光器

最早用作塑料焊接的激光器是CO2激光器，随着固体激光器技术的不断发展，逐渐开始使用YAG激光器和半导体激光器进行塑料焊接[9]。本文所做实验全部是基于由纽敦光电科技有限公司(上海)所生产的半导体激光器，该激光器相关参数如表1所示。

2.2 实验设备

本文所有实验是基于一种半导体激光塑料焊接机上完成的，如图1(a)所示。该机器是作者自主研发搭建，已申请专利，目前专门用于塑料焊接。主要由半导体激光器和一套二维运动系统组成，该机器需要与上位机相连，并可通过上位机对激光的开关、功率大小、焊接速度以及焊接轨迹进行控制。

表1 激光器相关参数

一般为了对实验结果进行较为全面的观察，会分别对焊接后的实验材料进行金相观察实验和拉力检测[10]。由于实验条件的限制，本文采用Novel牌带电子摄像头的显微镜，如图1(b)，和三维高分辨率照相机，如图1(c)，对焊接件的焊缝进行观察。进而用弹簧测力计对焊接件进行初步的拉力测试，该方法主要用来测试试件焊接强度从而验证焊接效果优秀与否。

2.3 实验材料

本文选择的实验材料是常见的热塑性塑料，透明PMMA和掺有炭黑的黑色PMMA。表2为这4种实验材料的详细参数。

图1 实验设备图

材料名称尺寸/mm透过率/%密度/g·cm-1熔化温度/℃分解温度/℃透明PMMA50×30×3721.15160270黑色PMMA50×30×3101.15165280

3 实验方案设计

在热塑性塑料的激光焊接过程中，焊接件之间的夹紧力、激光功率、焊接速度、光斑大小等4种因素对焊接实验结果影响较大[11]。因此，实验通过控制变量法分别单独研究各因素对焊接结果的影响。为了定量描述焊接质量的优秀与否，在此引入一个叫做能量密度的变量，具体定义为

(1)

式(1)中，ED表示能量密度，单位J/mm2；P表示焊接功率，单位W；v表示焊接速度，单位mm/s；Φ表示光斑直径，单位mm[12]。

先做一组有无夹具的对比实验。由于该激光器光束的特殊分布，激光光束在聚焦面上的能量分布最为均匀，所以整个实验过程中始终保持离焦量为零，即光斑大小Φ=1.6 mm。然后，分别单独研究激光功率与焊接速度对焊接效果的影响，进行工艺对比实验。最终，通过对焊缝形貌的观察以及拉力实验来评价实验结果。

4 实验结果及分析

首先做一组无夹具和有夹具的对比实验，结果如图2所示。

这两个实验是处于同一实验条件下，唯一区别在于有无夹具夹持。其中，图2(a)和图2(c)是无夹具下的宏观和显微图；图2(b)和图2(d)是有夹具下的宏观和显微图。由图2可看出，无夹具时焊缝不均匀、焊印较浅，焊缝中以及焊缝周围均有较多气泡，导致焊接质量低。而有夹具的情况下，焊缝均匀，焊印清晰，且其中无气泡。通过拉力试验检测，有夹具要远超过无夹具条件下的焊接强度。因此，有无适当的夹紧力对半导体激光塑料焊接结果影响较大。

实验过程中，使激光器功率分别为5 W，10 W，15 W，20 W。焊接速度范围控制在5～40 mm/s。由于实验数据较多，此处以焊接功率P=10 W的焊接条件为例进行详细分析。

图3 PMMA焊接宏观效果图

图3是对应一组光斑直径Φ=1.6 mm，焊接功率P=10 W，焊接速度v=5 mm/s,10 mm/s，20 mm/s和30 mm/s的焊缝宏观照片。其中，图3(a)的焊缝最宽，且焊缝中有诸多气泡，同时焊接过程中伴随产生难闻的塑料分解气味。图3(b)和图3(c)的焊缝宽度依次逐渐减小，其中图3(b)中的焊缝中间有一条白色细线，这其实是焊接过程中产生的气泡连结在一起，这在一定程度上影响了焊接效果。而图3(c)焊接效果最佳，几乎没有气泡，焊缝也较为均匀。图3(d)中焊缝只能看到较淡的焊印，说明上下层材料只是粘结而并未焊接在一起。

图4 焊缝俯视图

图5 焊缝横截面图

图4是在电子显微镜下观察出的焊缝俯视效果图，图5则是用高倍率照相机拍摄出的焊缝横截面效果图。在图5(a)中间位置可大致看出，焊缝的宽度和高度，后面3种条件下这两个参数逐次减小。在图5(b)中就看到，焊缝中的白色细线是焊接过程中产生的连续气泡。这与在图3(b)中观察到的情况一致。图5(c)中没有气泡，焊缝连续，属于焊接效果好的情况。而在图5(d)中只能看到部分焊缝，大部分是处于脱焊状态，说明没有焊牢。随后用弹簧拉力计做初步的拉力测试来进行检测，其中图5(c)对应的焊接试件所需拉力最大，为237 N。综合图3～图5可得，在焊接功率P=10 W，光斑直径Φ=1.6 mm，且焊接过程中离焦量为零时，透明PMMA和黑色PMMA的最佳焊接速度v=20 mm/s。与之对应的能量密度ED=0.313 J/mm2。

此外，还分别进行焊接功率P=5 W，10 W和20 W的工艺实验，同样方法分别得到相应的优秀工艺参数组合为：

(1)焊接速度P=5 W，光斑直径Φ=1.6 mm时，焊接速度为v=7.5 mm/s，焊接效果最佳，对应的能量密度ED=0.417 J/mm2;

(2)焊接速度P=15 W，光斑直径Φ=1.6 mm时，焊接速度为v=7.5 mm/s，焊接效果最佳，对应的能量密度ED=0.375 J/mm2;

(3)焊接速度P=20 W，光斑直径Φ=1.6 mm时，焊接速度为v=7.5 mm/s，焊接效果最佳，对应的能量密度ED=0.357 J/mm2。

继续实验发现,当功率提高到30 W以上时，焊接效果有所下降，会出现速度过慢，形成过烧，塑料会大量分解伴随难闻气体产生，或是速度过快，焊缝过细过浅，两层塑料无法焊接到一起。究其原因，虽焊接功率足够加热下层塑料使其熔化，但正是由于功率较大，为了不使PMMA受热分解，则需使焊接速度较快，这样就导致加热时间过短，黑色PMMA吸收的热量来不及传导到透明PMMA中使其熔化。因此可发现，在进行塑料焊接过程中，PMMA对焊接功率是有一定要求的，在该激光器条件下，焊接功率最好不要超过30 W。

5 结束语

在激光透射焊接原理的基础上，通过实验，证明了激光焊接塑料方法的可行性，以及适当的压紧力对塑料焊接的重要性。同时，通过对焊缝的形貌观察及初步拉伸试验的检测，得到一系列优秀实验参数，例如在光斑直径Φ=1.6 mm，且离焦量为零时，焊接功率P=10 W，焊接速v=20 mm/s为一组优秀工艺参数。而在不同焊接功率下，对应的最优能量密度不同。此外还得出，PMMA的焊接功率范围是有上限的，基于本文所用的激光器，应不超过30 W。

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Techniques of Plastic Welding by Diode Laser

Plastic welding experiments with a 50 W diode laser device were performed with transparent and opaque PMMA as experimental materials. The best combination range of technique parameters for PMMA is found from different process welding experiments designed by controlling the variables. The experiments show that one of many best technique parameters combinations is a welding power of 10 W, a welding velocity of 20 mm/s and a spot diameter of 1.6mm, and that the PMMA welding power should be no more than 30 W under the circumstance of this article.

plastic welding; diode laser; PMMA; technique parameters

2015- 12- 28

蔡锦达(1963-)，男，教授。研究方向：机电一体化。李翔(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：塑料材料激光加工。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.040

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