激光焊接是利用激光的輻射能量來實現(xiàn)有效焊接的工藝，其工作原理是：通過特定的方式來激勵激光活性介質(zhì)（如CO2和其他氣體的混合氣體、YAG釔鋁石榴石晶體等），使其在諧振腔中往復(fù)振蕩，從而形成受激輻射光束，當(dāng)光束與工件接觸時，其能量被工件吸收，在溫度達(dá)到材料熔點時便可進(jìn)行焊接。

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隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和產(chǎn)品輕量化的需求，異種熱塑性塑料之間的連接需求逐步增加，由于塑料的熱導(dǎo)率相對金屬材料較低且熱敏感度高，此外不同材料之間的熔點、導(dǎo)熱率、比熱容等參數(shù)存在差異，只有相容性較好的異種塑料之間才容易實現(xiàn)焊接，導(dǎo)致異種塑料焊接的難度較大。

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與常見的熱板焊接、超聲焊接等方式相比，激光透射焊接具有能量集中、精密度高、加工作用力小等優(yōu)勢。

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PC材料具有透光率高、抗沖擊能力強、高耐熱等諸多優(yōu)點；ABS具有強度高、易加工成型、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點，兩者都是綜合性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，在實際生活和工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

目前國內(nèi)已經(jīng)開展了異種塑料激光透射焊接的相關(guān)研究，李品等使用紅外加熱輔助方式對透明聚碳酸酯(PC)塑料和涂有Clearweld吸收劑的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚砜(PSU)熱塑性塑料進(jìn)行了激光透射焊接，結(jié)果表明該方式可有效提高異種塑料焊接試樣的焊縫剪切力。

? ? ? ?激光透射塑料焊接工藝

龐振華等使用激光輪廓焊接的方式對透明PC和黑色ABS進(jìn)行了焊接并得到了達(dá)到市場需求的試樣；伍彥偉等對異種PC和聚苯醚(PPE)進(jìn)行了激光透射焊接并用響應(yīng)曲面法對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行實驗設(shè)計與優(yōu)化，得到了焊接強度最大為6.51 MPa的試樣；上官同英等設(shè)計了田口實驗的方法并提出了面能量的概念，實現(xiàn)了摻雜玻璃纖維的ABS和PP塑料的焊接并得到了較好的效果；諸金等使用915nm的激光配合納米氧化銦錫吸收劑材料實現(xiàn)了PC和ABS的激光焊接。

由于熱塑性塑料對1700～2000 nm波段激光的吸收通常強于近紅外波段，因此使用該波段的激光可以在不使用激光吸收劑的情況下對異種塑料進(jìn)行有效的焊接，降低生產(chǎn)成本。

目前國內(nèi)使用此波段的激光進(jìn)行異種塑料焊接的相關(guān)研究較少，本研究使用波長1910 nm的半導(dǎo)體激光器對透明PC和白色ABS塑料進(jìn)行透射焊接實驗研究，對焊接過程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析，優(yōu)化焊接參數(shù)并使用拉力試驗機(jī)對試樣的焊縫強度進(jìn)行了測試，找到了適合兩種材料焊接的實驗條件。

激光透射焊接的原理

傳統(tǒng)激光透射焊接是指上層透明塑料對近紅外波段的光的吸收率較小，激光經(jīng)過兩層塑料只有較少部分被吸收，難以產(chǎn)生足夠的熱量使焊接完成，因此需要在下層塑料的上表面添加激光吸收劑，激光被吸收劑吸收后釋放熱量在其附近形成熱作用區(qū)，兩層塑料板材熔化并在壓力和熱膨脹的作用下焊接在一起。? ? ? ? ? ? ? ?激光透射焊接原理圖

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而熱塑性塑料對1910nm的激光吸收較強，因此只需將激光束聚焦于兩層塑料的接觸面，激光就可以被兩層塑料吸收從而避免使用吸收劑。

這兩種塑料的連接產(chǎn)品綜合了各自的優(yōu)點，常被用于汽車、家電、電子電器等領(lǐng)域。兩種材料的相關(guān)參數(shù)見下表。

PC和ABS相關(guān)參數(shù)

異種塑料焊接時，上下層材料的溫差屬性較大有可能導(dǎo)致一種材料發(fā)生熔融而另一種材料未達(dá)到熔融溫度導(dǎo)致兩層焊接試樣融合不充分，焊接強度較低；或是一種材料吸收熱量過多率先達(dá)到熱分解溫度另一種塑料還處于熔融狀態(tài)，這種情況會使一種塑料分解產(chǎn)生外觀缺陷。由上表可以看出，熱作用區(qū)的溫度在140～270℃區(qū)間內(nèi)兩種塑料均發(fā)生熔化且未達(dá)到分解溫度。

下圖為上層PC材料在700～2000nm波段內(nèi)的透過率曲線圖，可以看出PC在1910 nm處的透光率明顯低于可見光波段的透過率，表明上層PC材料能透過1910nm激光的同時對其有較好的吸收能力，這解釋了1910nm的激光可以在不使用吸收劑的情況下能夠焊接透明塑料的原因。

? ? ? ?PC材料在不同波長下的透過率曲線圖

本實驗使用的激光器為波長1910 nm半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率為30W。將兩塑料層疊放置(重合部分的寬度為20 mm)并使用夾具夾緊，適當(dāng)?shù)膴A持力有利于提高焊接試件的質(zhì)量，焊接過程如圖所示。

? ? ? ?焊接原理圖

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焊接完成后使用，由于拉伸兩層塑料板材時力的方向不在同一直線，在夾具的夾持位置加上填充物可以減少附加彎矩的產(chǎn)生從而避免對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

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拉力測試過程

1 ? 焊接參數(shù)對焊接強度的影響

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不同功率下PC-ABS試樣拉拔力隨焊接速度的變化曲線如圖所示。

? ? ? ?? ? ? ? ?激光功率：a-10 W

不同激光功率下 PC-ABS 試樣拉拔力隨焊接速度的變化

首先在激光功率為10W時對PC-ABS塑料進(jìn)行了焊接實驗；焊接速度為5mm/s時兩層塑料焊接成功但焊縫寬度較窄，兩層塑料的融合程度一般導(dǎo)致焊接試件強度較低；隨著焊接速度的減小焊縫寬度加寬使兩層材料均勻融合且密封性極好，在焊接速度為3mm/s時，試件焊縫強度最大達(dá)到了371.2 N；此后隨著焊接速度的減小，焊接板材吸收熱量過多，焊縫中出現(xiàn)部分燒焦點，導(dǎo)致試件的拉拔力降低，最終在速度為2 mm/s時，焊縫溫度過高導(dǎo)致材料分解，導(dǎo)致試件的焊接強度較低。

? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?激光功率：b-20 W；c-30 W

不同激光功率下 PC-ABS 試樣拉拔力隨焊接速度的變化

調(diào)整焊接功率分別為20W和30W，并改變對應(yīng)的焊接速度進(jìn)行實驗，結(jié)果表明不同功率下焊縫的拉拔力隨焊接速度的變化均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢?；谒褂玫募す馄骱退芰习宀?，激光功率在30 W，焊接速度在9mm/s時，試樣焊縫處最大拉拔力達(dá)382.6 N。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得到激光熱輸入值與試樣拉拔力的變化關(guān)系，如圖所示。

? ? ? ?不同功率下 PC-ABS 試樣拉拔力隨激光熱輸入的變化

熱輸入為3.3 J/mm 附近時，試樣焊接強度最大。不同功率下得到的熱輸入和試樣拉拔力的關(guān)系曲線有很好一致性，為提高焊接效率，可選擇30 W的功率下進(jìn)行材料焊接。

2 ?焊接參數(shù)對焊接外觀的影響

下圖為幾組不同熱輸入下的焊接試樣。

? ? ? ?PC-ABS 焊接試樣外觀

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熱輸入為2.5 J/mm 時，焊縫寬度均勻、整體氣密性較好；隨著熱輸入增加至3.3 J/mm，可以看出PC和ABS焊縫的中心處留下了一條清晰的融合線，此時試樣拉拔力最大達(dá)到了382.6 N；隨著熱輸入的持續(xù)增加至4J/mm，焊縫中產(chǎn)生了部分燒焦點導(dǎo)致試樣強度降低；當(dāng)熱輸入增加值5 J/mm時塑料吸收熱量過多產(chǎn)生分解，進(jìn)行拉力測試時試樣強度明顯降低。

使用電子顯微鏡對以上幾組試件的焊縫形貌進(jìn)行觀察，如下圖所示。可知，當(dāng)熱輸入為2.5 J/mm 時，焊縫寬度較窄且相對于焊縫周圍的熱影響區(qū)分界線不明顯。

? ? ? ?不同熱輸入下 PC-ABS 試樣的焊縫微觀形貌

當(dāng)熱輸入增加至3.3J/mm時，焊縫寬度明顯加寬且焊縫中存在些許肉眼不可 ?見的氣泡，焊縫與熱影響區(qū)之間存在清晰的邊界，此時焊縫的強度較高；隨著激光熱輸入繼續(xù)增加至4J/mm焊縫中產(chǎn)生了少許燒焦點且焊縫寬度降低。當(dāng)熱輸入為5J/mm時塑料吸收激光能量較多產(chǎn)生的熱量使上層PC塑料整體發(fā)生燒焦并向上凸起，焊縫寬度和熱影響區(qū)的面積均減小，焊縫強度明顯降低。由此可知當(dāng)焊縫中存在部分氣泡且無燒焦時對透明PC和純白ABS塑料的焊接更加有利。

綜上，(1)適合透明PC和純白色ABS焊接實驗的溫度范圍約為140～27℃。(2)實驗中焊接試樣可承受的拉拔力最大時，焊縫中無燒焦點但存在肉眼不可見的氣泡，焊縫的寬度最寬。(3) 結(jié)果表明，1910 nm的半導(dǎo)體激光器是一種能在不添加吸收劑情況下實現(xiàn)異種塑料焊接的理想光源。

參考資料：激光透射焊接異種塑料的實驗研究，互聯(lián)網(wǎng)資料。

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦高分子）：透明PC與白色ABS激光透射焊接工藝及性能研究