摘要利用激光透射焊接技术对聚丙烯(PP)塑料进行焊接，研究了激光焊接热塑性塑料的可行性。通过正交试验法研究了激光功率、焊接速度、碳黑含量对焊接强度和焊接质量的影响。探讨了线能量对焊接强度的影响。结果表明：对PP 材料来说，激光功率是首要影响因素，其次是焊接速度，最后是碳黑含量。最佳的焊接工艺参数为激光功率50 W，焊接速度15 mm/s，碳黑质量分数0.15%。线能量对焊接质量有较大影响，线能量在1.5～3 J/mm 可得到较好强度的焊件。
关键词激光光学; 激光透射焊接; 焊接参数; 聚丙烯塑料; 线能量
1 引言
激光透射焊接塑料技术是一种新兴的焊接技术，相比于传统的塑料焊接方式如热板焊接法、热气焊接法、电磁感应焊接法、电阻感应焊接法、摩擦焊接法、超声波焊接法以及射频焊接法等，该方法是一种无接触、节能环保绿色的焊接方法，而且焊速高、热影响区小、无残渣、键合强度高、焊缝变形小，已被逐步应用于汽车工业、生物医药装备制造以及微电机系统(MEMS)中微型机械的制造等行业，得到了国内外的广泛关注[1-4]，具有广阔的发展前景。
对激光透射焊接的研究始于20 世纪90 年代后期，为了评估塑料材料对激光透射焊接的适应性，需要考虑聚合物基体的光学特性及其成分组成，这对于研究热塑性塑料对激光能量的透射、散射以及焊接结合面上的激光强度是非常重要的。德国亚琛工业大学的Haberstroh 等[5]对激光透射焊接结晶态聚合物聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)进行了研究，阐述了结晶态聚合物的不同结晶状态对焊接质量的影响。通过对聚甲醛和聚碳酸酯的三维焊接研究，阐述了结晶态聚合物比无定形聚合物的透射率低，焊接需要功率大[6]。袁晖等[7]建立了半导体激光焊接系统,在此系统上进行了热塑性塑料的激光焊接试验，研究了不同颜料有机玻璃材料组合的激光焊接可行性，进行了有机玻璃的激光焊接试验，并对焊接样品的焊接强度进行了测试，焊接样品的测试强度达到58 MPa。王健超等[8]进行了PMMA/ABS 的热塑性塑料激光透射焊接工艺研究及微观分析，并研究了夹具和能量密度对焊接的影响。王霄等[9-10]阐述了基于全息技术的激光透射塑料焊接方法，并对其进行了理论研究，详细叙述了该方法的基本原理，并采用英国焊接学会发明的Clearweld 吸收剂，进行了透明聚苯乙烯和聚氯乙烯异种塑料之间的激光透射焊接试验。总之，目前国内外研究主要集中在焊接工艺参数对焊接质量的影响方面，研究结果表明，激光的光强分布[11-14]、焊接速度[15-16]、透光焊接件的光学性能[17]及吸光剂[18]是影响键合质量的主要因素。
本文对聚丙烯(PP)塑料激光透射焊接的机理和过程进行了深入研究。通过试验和分析，优化工艺参数，达到提高焊接强度和焊接质量的目的，为塑料激光焊接的广泛应用提供一定的理论和试验依据。
2 激光透射焊接原理
激光透射焊接方法是让激光(波长一般为800~1050 nm)透过透明试件，在上层试件与下层试件(添加一定量的吸光剂)的结合面，激光被下层试件吸收并产生热量，在热集中区域，塑料被熔化，通过热量在两种试件之间的传递，使塑料融化，热熔融状态下的塑料大分子在键合压力和热膨胀的作用下，相互扩散和缠结，产生范德华力并形成强的键合，如图1 所示。
3 试验设备材料及方案
3.1 试验设备
1) 注塑机：SZ-1300A 型注塑机；2) 透射式激光焊接器：WFD120 型半导体激光器焊接机；3) 拉伸试验机：电子万能试验机YU-802A；4) 光学显微镜：LEICA DM IRM 显微镜。
3.2 试验正交试验设计
PP 材料试件的焊接功率范围为30~70 W，焊接速度变化范围为15~55 mm/s，上层透过试件为透明PP试件，下层吸收试件分3 种，含碳量分别为0.05%、0.1%、0.15%(质量分数)。试验主要考虑3 个影响因素，分别为因素A(激光功率)、因素B(焊接速度)和因素C(吸收件的含碳量)；其中含碳量为三水平，其他均为五水平。试验设计采用正交试验法和拟水平法。碳黑质量分数的水平1 为0.05%，水平2 为0.1%，水平3 为0.15%。运用拟水平法，取水平4 为0.1%，即水平2；取水平5 为0.15%，即水平3。问题即转化为三因素五水平的问题，正交试验表即可参考采用L25（56）正交表进行设计。各因素和水平如表1 所示。
3.3 试件的制备及测试
试验用PP 型号为上海石化公司生产的M450E，具体参数如表2 所示。本试验所用的吸收剂为碳黑，在注塑PP 材料吸收件时，分别以碳黑质量分数0.05%、0.1%和0.15%直接混合添加进注塑材料中，注塑成形，即可得到6 组不同材料或碳黑含量的吸收件。试验中夹具的设计分为上下夹具，下夹具固定在工作台上，上夹具有不同大小的焊接区域可以选择。激光透射焊接时，夹具可提供足够的的夹紧力以保证焊接顺利完成。
拉伸测试主要是测试焊接件所能承受的最大拉力，是在微机控制电子万能试验机上完成的。焊缝显微观测试验是通过体式显微镜对焊缝进行观察并拍照，分析焊缝焊接情况，观察焊缝精度，并根据放大比例计算焊缝宽度。
4 试验结果及分析
4.1 极差分析
通过正交试验法列表计算得到样品的拉伸测试数据，选定最优参数，如表3 所示。表中k1为因素A、B、C 的第1 水平所在的试验中考察指标之和，k2为因素A、B、C 的第2 水平所在的试验中考察指标之和，k3为因素A、B、C 的第3 水平所在的试验中考察指标之和，k4为因素A、B 的第4 水平所在的试验中考察指标之和，k5为因素A、B 的第5 水平所在的试验中考察指标之和，对于因素A 和B，k1=(K1)/5，k2=(K2)/5，k3=(K3)/5，k4=(K4)/5，k5=(K5)/5。对于因素C，k1=(K1)/5，k2=(K2)/5，而k3=(K3)/10，k4=(K4)/10，k5=(K5)/10。从表3 可知，A 因素最优的是第5 水平，B 因素最优的是第1 水平，C 因素最优的是第3 水平，即焊接功率为70 W，焊接速度为15 mm/s，碳黑质量分数为0.15%，对比试验表可知，最优试验即为试验21。
因素A 的极差最大，说明激光功率的水平改变对试验指标的影响最大，其次是焊接速度，极差最小的是吸收件的碳黑含量，说明因素C 的水平改变对试验指标的影响最小。
4.2 线能量对剪切强度的影响
本研究采用线能量来表征焊接能量，其定义如下式中J 为线能量，P 为激光功率，v 为焊接速度。在对PP 焊件进行测试焊接时发现，PP 材料的激光透射焊接较容易实现，且能进行焊接的线能量较宽。当线能量小于1.0 J/mm 时，焊接不牢固，焊缝不明显；当线能量在1~1.5 J/mm 之间，可以焊接上，但是焊接强度不高，两焊件接触面材料熔融较少，焊缝较浅；当线能量在1.5~3 J/mm 时，焊接强度较大，焊缝清晰且熔深较大，溢料少，焊接精度高；当线能量在3~4.67 J/mm 时，也能得到清晰的焊缝和高的焊接强度，但是有溢料产生。不同碳黑含量情况下，线能量对剪切强度的影响规律如图2 所示。从图2(a)可以看出，碳黑质量分数为0.05%时，剪切强度与线能量大致呈线性增长关系，随着线能量的增大剪切强度也相应增加。由图2(b)可知，碳黑质量分数为0.1%时，线能量在0.67～2.0 J/mm，剪切强度随线能量的增大而增加，最大为32.3 MPa。当线能量大于2.0 J/mm 时，剪切强度随线能量的增大逐渐降低，总体变化并不明显。因为随着线能量的增加，焊接焊缝的宽度会逐步增大，在剪切力变化不明显的情况下，剪切强度会呈现降低的趋势。由图2(c)可知，碳黑质量分数为0.15%时，线能量在0.55～3.33 J/mm 内，剪切强度随线能量的增大而增加，最大为51.5 MPa。当线能量大于3.33 J/mm 时，剪切强度随线能量的增大明显降低。原因可能为当线能量过大时，焊接焊缝处会出现气泡和材料的热分解现象产生，容许剪切力会相应降低，因此，剪切强度也会降低。
4.3 碳黑的质量分数对焊缝表观形貌的影响
激光功率为70 W，焊接速度为45 mm/s，不同碳黑含量对焊缝表观形貌的影响如图3 所示，局部放大倍数为100。不同碳黑含量焊接后对应的焊缝宽度分别为1.77，1.87 和2.25 mm。对比图3(a)~(c)可以看出，随着含碳量的增加，焊缝宽度逐渐增加，但是焊缝深度先增加后减小，这是因为含碳量低时吸收能量过小，熔融材料少，但含碳量过高时，温度集中在焊缝表面，导致焊缝较宽但熔深较小。
5 结论
1) 在激光塑料透射焊接理论的基础上，采用半导体激光器焊接PP 塑料，研究了激光焊接热塑性塑料的可行性，通过试验结果分析，证实了激光焊接是一种可行的、效果理想的塑料焊接方法。
2) 对试验焊接试件进行了拉伸试验，由正交试验分析得到，对PP 材料来说，激光功率是影响焊接强度的首要因素，其次是焊接速度，最后是碳黑含量。
3) PP 材料的激光透射焊接较容易实现，且能进行焊接的线能量较宽。当线能量在1.5~3 J/mm 时，焊接强度较大，焊缝清晰且熔深较大，溢料少，焊接精度高。
4) 通过不同含碳量对焊缝表观形貌影响分析可知，随着含碳量的增加，焊缝宽度会逐渐增加，但是焊缝深度先增加后减小。表明适当控制碳黑的含量对形成焊接强度高，焊缝表观质量好的激光透射焊接制品有积极的作用。