（机械工程专业论文）激光透射焊接热塑性塑料研究.pdf

摘要 激光透射焊接技术近年来在国内外已受到广泛关注，作为新型塑料焊接技 术，具有精度高、工艺简单、加工灵活等特点。该技术处在发展初期，、许多基础 理论和技术问题尚需深入研究，如激光与塑料耦合作用机理、透射焊接工艺、测 试分析等，这些问题使其应用受到很大限制。 本文针对y a g 激光透射焊接塑料开展了研究，采用塑料透射焊接激光机器 人系统设备，通过实验深入探讨焊接过程中可能影响因素，分析了各影响因素对 焊接性能的影响，主要进行了如下研究工作： 1 ) 研究了在不同波长、温度和表面状况的情况下激光焊接塑料作用机理， 利用b e e r - l a m b e r t 定律建立了激光透射焊接塑料模型，为激光塑料焊接理论基础 奠定根基。 2 ) 设计了基于激光机器人的塑料透射焊接系统，该系统由激光器、机器人、 c c d 监控系统和焊接夹具等组成。 3 ) 介绍常见塑料焊接工艺特点，对y a g 激光焊接质量重要影响因素进行对 比实验分析，为质量的检测分析提供了重要依据。针对不同颜色塑料、吸光剂、 激光功率、速度、离焦等进行了大量实验研究。 4 ) 针对y a g 激光透射塑料焊接过程性能影响因素，采用液氮对试件进行脆 断，用冷场发射电子显微镜分析了焊接区微观组织形貌，用拉力试验机分析了塑 料焊接力学性能，根据测试数据对实验工艺进行了优化。 关键词：激光技术；透射焊接；热塑性塑料；p m m a a b s t r a c t l a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s , a san e wt y p eo fp l a s t i cw e l d i n gt e c h n o l o g y , t h e r ea r eh i g hp r e c i s i o n ，s i m p l es u r f a c e p r o c e s sp a r a m e t e r sa n df l e x i b l ep r o c e s s i n gf e a t u r e sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l t e c h n i q u e t h et e c h n i q u ei ss t i l la tt h ei n i t i a ld e v e l o p m e n ts t a g e m a n yb a s i ct h e o r i e s a n dt e c h n i c a lp r o b l e m ss t i l ln e e dt ob es t u d i e d s u c ha sl a s e rp o w e re n e r g yd i f l u s i o n i np l a s t i c o p t i c a lc o u p l i n gp e r f o r m a n c ef u n c t i o nm e c h a n i s m ，t r a n s m i s s i o nw e l d i n g p r o c e s s t e s ta n a l y s i s ，t h e s ei s s u e sh a sl i m i t e dt h et e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n t h i sp a p e ra i m st os t u d yy a gl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n g p r o c e s so f p l a s t i c t h i s p a p e rp u t sf o r w a r d ap l a s t i c st r a n s m i s s i o nl a s e rr o b o ts y s t e m e q u i p m e n t ，d e e p e rs t u d y i n t ot h ep o s s i b l ei n f l u e n c ef a c t o r si nw e l d i n gp r o c e s s ，a n da n a l y z e st h e i ri n f l u e n c eo n t h eq u a l i t yo fw e l d i n gp r o p e r t i e s ，a n dg o tt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fo r t h o g o n a la n a l y s i s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ： 1 ) t h i sp a p e rr e s e a r c h e dp l a s t i cm a t e r i a li nd i f f e r e n tw a v e l e n g t h s ，t e m p e r a t u r e a n ds u r f a c ec o n d i t i o n so fl a s e rm a t e r i a li n t e r a c t i o nm e c h a n i s m a n da n a l y z e st h e e f f e c t so ft h ei a s e rp r o c e s so ft h em a c r o s c o p i ca n dm i c r o c o s m i cp r i n c i p l e e s t a b l i s h p l a s t i ct r a n s m i s s i o nw e l d i n gm o d e ia n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np a r a m e t e r s t h r o u g h n u m e r i c a is i m u l a t i o ne q u a t i o n , t h ec o m p l e xt h e r m a lr a d i a t i o np r o c e s sh a sb e e n a c c u r a t e l ys i m p l i f i e d 2 1d e s i g n e dap l a s t i cw e l d i n gr o b o tl a s e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m , t h es y s t e m c o n s i s t so fl a s e r s ，r o b o t s , c c ds u r v e i l l a n c es y s t e m sa n dw e l d i n gf i x t u r e sa n do t h e r c o m p o n e n t s 3 ) t h ec o m m o np l a s t i cw e l d i n gp r o c e s so fc h a r a c t e r i s t i c sh a sb ei n t r o d u c e d b y u s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o da sg u i d a n c e ，t h el a s e rw e l d i n gq u a l i t yo f d i f f e r e n ty r a gi n f l u e n e ef a c t o r sh a sb e e nc o n t r a s t e da n da n a l y s e d a n do f f e r e da l l i m p o r t a n tb a s i sf o rq u a l i t yi n s p e c t i o na n a l y s i s 4 1u s i n go fl i q u i dn i t r o g e nb r i t t l ef r a c t u r eo ft h es p e c i m e n ，t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n tm u l t i f u n c t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yu s e do p t i c a la n dp h y s i c sd e t e c t i o n f r o mt h em i c r o s t r u c t u r ea n di m p a c tr e s i s t a n c et om u l t i p l ep e r s p e c t i v e s o p t i m i z et h e p r o c e s so fy a gl a s e rt r a n s m i s s i o np l a s t i cw e l d i n ga c c o r d i n gt ot h et e s te x p e r i m e n t a l d a t a k e yw o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g ；t r a n s m i s s i o nw e l d i n g ；t h e r m o p l a s t i c ；p m m a 学位论文的主要创新点 一、基于b e e r - l a m b e r t 定律分析了激光透射焊接热塑性材料过程 相互作用机理。建立了焊接熔化深度与激光功率、速度和离焦等工艺 参数之间的关系，为实验研究提供了理论基础。 二、设计了透射焊接专用夹持装置，采用激光机器人系统，进行 了大量实验研究，对试件进行组织形貌和力学拉伸分析，建立了不同 焊接参数下工艺对照表，对工艺参数进行了优化。 第一章绪论 1 1 激光焊接塑料 第一章绪论 1 1 1 塑料焊接技术 自1 9 0 7 年7 月1 4 日美籍比利时人列奥亨德里克贝克兰第一个注册完全合 成的塑料专利开始，在这位“塑料之父”及广大研究者的不断推动下，塑料的研制 及应用得以快速发展，广泛应用于生产和生活的各方面。塑料是一种以高分子量 有机物质为主要成分的材料，它在加工时呈现固态形状。从使用特性上讲，塑料 可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。我们在平时接触的大多属于通用塑料。 当前塑料朝高热传导率生物塑料、可变色塑料、塑料血液、防弹塑料、降噪塑料 等方向迅速发展，作为一种工程材料，其成本低廉、获取方便、加工成型技术简 单快捷、成品重量轻、物理特性优良，应用领域非常广泛。据中国统计局统计， 2 0 1 1 年1 - 6 月，我国塑料制品生产及经济运行保持稳定的快速发展，许多产品产 量及增长水平均超过去年同期水平。2 0 1 1 年1 6 月，国内塑料制品累计总产量 3 4 5 1 1 3 万吨，同比增长2 0 5 ，增幅较2 0 1 0 年同期上升2 9 7 个百分点。 塑料产品通常是利用压模或浇注等方式制造生产。近年来，随着工业要求的 不断进步，越来越多复杂塑料部件因模具的尺寸和结构而受到制约，特别是生产 复杂的塑料零件，通常最经济有效的方法是多个零件连接在一起。传统的塑料连 接方法中，塑料焊接作为一种自粘合性连接工艺，受到各界的重视。所谓自粘合 性是指当两个表面接触时能够形成稳态键的能力。一般认为，塑料在被加热后， 接触面上分子链自由末端加速扩散，形成自粘合键，从而形成焊接熔融层。常规 热塑性塑料焊接方法分为三类：热焊接( t h e r m a l ) 、摩擦焊接( f r i c t i o n ) 和感应焊 接( i n d u c t i o n ) 。继续细分包括有摩擦焊接、振动焊接、热板焊接、热气焊接、 高频焊接、感应焊接、电阻注入焊接、胶接连接等。 塑料焊接的技术运用首先要考虑待焊材质的可焊性。不同的材质问焊接差异 显著，如表l l 所示。 表1 1 不同塑料采用不同连接方法焊接的可焊性【1 l 荔塑料品种 近场远蕊 点焊振动塑瓣藩稚避场远垢廉烨振燃 乙缩醛 bcc a 聚醚酰f 胺 bc 丙烯酸系树脂 bb c ba 粲醚砜 bc 丙烯睛r 二烯苯乙烯 a baa 聚对苯二甲酸乙醇酯 b ，cd 共聚物 纤维素塑料 c ddc ，da 聚甲基戊烯 cc ，dba 热铆件颦料聚 c 厂ddbb c 聚苯撑氧 bbba c 高密度聚乙烯 bb ba 聚苯撑硫 becb 天津工业大学硕士学位论文 热塑件颦料聚氨酯 bd 聚丙烯 cdaa 液晶聚合物 bcca 聚苯乙烯( 通用级) aa c a 尼龙 b ca 聚苯乙烯( 橡胶改质) bb caa 聚酚胺酞亚胺 bcb 聚苯乙烯硅橡胶 b cc a ，b 多艿笨化合物 bc 聚砜 c ，dd b c a 聚对苯- 甲酸丁二醣 b cbb 聚氯乙烯 aab ca 聚碳酸酯 bbba 苯乙烯一丙烯腈共聚物 a ，bb cc 聚醚醚酮 cdb 摩擦焊接是将一片基材固定，另一片基材以受控的角速度旋转。当部件压合 在一起时，摩擦热导致聚合物熔融，冷却后即形成焊接。焊接工艺简单，重复性 强。但也由于其工艺简单，所以仅适合于至少有一个部件是圆形且不需要角度对 齐的应用领域。 振动焊接是两件热塑性部件在适当的压力、频率和振幅下相互摩擦，直到产 生足够的热量使聚合物熔融为止。振动停止后，部件彼此对齐，熔化的聚合物固 化后形成焊接。它和摩擦焊接有很多相似之处。 热板焊接是高温热板夹于待接缝的表面之间，直到塑料软化为止。此时，将 热板抽出，两表面在受控压力之下贴合，让熔融表面冷却，形成焊接。缺点是焊 接速度较慢，大型管焊接时间长达3 0 分钟。 超声焊接通过机械高频振动而形成接缝。待装配的部件加压夹持于振荡焊头 和固定焊头之间，然后与接触面呈直角，接受频率为2 0 一- - 4 0 k i - i z 的超声振动。 交替式高频应力在接缝界面处产生热量，从而形成优质的焊接。焊接法仅适用于 焊接长度不超过数厘米的小型部件。 由以上可以看出，传统焊接技术从工艺到加工质量上都有很多不足之处，主 要体现在：焊接通常工艺简单，适应零件较少；焊接质量较差，焊缝力学性能低； 焊接精度低，鳞化及滩熔现象严重，通常适用低精度要求场合；焊接可靠性及稳 定性差；加工周期长，自动化程度低；技术陈旧，设备更新缓慢。 针对这些问题，人们在不断改进现有技术设备的同时，也在找寻新的焊接方 法【2 j 。一些近些年发展迅速的技术越来越受到重视，逐渐引起关注。 1 1 2 激光透射焊接技术 激光加工是激光技术一个重要的应用，激光加工与制造具有高效、高精度、 高质量、范围广、节能环保等特点，并能实现柔性加工和超微细加工。在汽车、 微电子、钢铁冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑和造船工业等领域得到 了广泛的应用，有些行业已达到了较高的水平。随着激光技术的迅速发展，激光 正积极地想传统制造技术中的很多工艺过程中渗透。将激光技术应用在塑料焊接 领域就是一项近年新兴的应用领域。 激光发展至今，种类繁多，不同工艺过程对激光能量及光束质量有不同的需 第一章绪论 求，如图l 一1 所示。 r l i r i h h “ d 0 rn 1 、cr1 n - 图1 - 1 激光器功率、光束质量与加工方法的关系 图中： 纵坐标：光束质量 横坐标：激光功率 蓝线下方从左至右：打孔、打标、切割和深融焊接 蓝线上方从左至右：打印、软钎焊、非金属切割、塑料焊接、硬钎焊、熔覆、 表面硬化和重融 由图可以看出，塑料焊接对激光束能量要求不高，通常在百瓦级以内，现有 的激光技术完全满足塑料透射焊接的需求。但焊接对光束的质量有一定要求，这 一要求主要体现两个方面：一是激光束是否能够保证透射层较高的透射率；二是 激光束是否能保证被焊层有效的吸收率。这两方面不仅与激光束质量有关，同时 也和焊接材料有着更直接的联系。大部分热塑性塑料熔融性及热扩散性较强，在 激光的作用下体现出良好的可焊接性，因此，将激光透射技术应用于塑料焊接领 域是切实可行的，同时通过实验和理论分析，我们也对比出其相对于传统塑料焊 接的特点。 表1 - 2 不同焊接方式对比 i 攀纛裁辫接磊jj 熟裁络弹撰激光爆接曩、 形状、尺寸、三维形状 结构的限制中小部件 oo 大型部件o o 零件内部 焊接外观 焊接可靠性ooo 焊接自动化o 代表很好；o 代表好；代表一般；代表差 天津工业大学硕士学位论文 总结可得激光焊接具有如下几优点： 焊接质量好； 焊接区域受破坏程度小( 焊接内部) ； 焊接部位清洁美观( 没有微粒) ； 焊接物的热负载最低； 操控流程简单快捷，自动化程度高； 采用无接触式焊接工艺( 丝毫不影响焊接质量) 。 虽然激光塑料焊接技术具有诸多优点，但其对焊接材质也是有要求的，激光 的塑料透射焊接是一种透射式焊接工型】。焊接利用了许多热塑性材料对于可 见光和近红外光具有较好的光学穿透性能，上层待焊工件能够透过激光，下层能 量吸收层可以保证足够的加工能量吸收率。在塑料材质中，大多数塑料能透过充 足的激光，与之配合的另一工件，在利用添加吸收性材料等方法后，也可保证足 够的激光能量吸收率。焊接前，上下两工件紧贴，在待结合区域施加一定的压力， 同时在塑料熔液热膨胀过程中也将产生压力。在焊接时，激光器产生设定功率聚 焦光束，汇聚于待焊接区域，激光束透射上层透射材料，在两工件接触焊接区r 即 热响应区域) 被下层吸收材料吸收，形成热能作用区；在此区域内的吸收粒子被 转化的热能熔化，熔融状态的塑料粒子在焊接压力的作用下互相影响，热量传递， 产生范德华力，从而紧密地连接在一起，形成高质量焊接。由于激光是非接触式 的聚焦在下层材料表面，激光引起的热效应是局部性的，所以此技术可避免对焊 接材料的机械和热损伤。 图1 - 2 激光透射焊接原理图 通常热固性塑料由于不具有二次熔融性从而不能采用焊接工艺，同时非晶质 塑料比半晶质塑料更易焊接。非晶质塑料在焊接时没有确定的熔点，受热后，材 第一章绪论 质逐渐经历硬态、玻璃变段和橡胶态三个阶段，之后变为熔化态的液体流。而晶 质材料有明确的熔化点，一直保持固态直至熔化温度，然后突然变成液体。因此， 理论上除热固性塑料外，几乎所有塑料都可应用激光焊接技术。目前在工业上采 用激光焊接的材料大部分是热塑材料( t h e r m o p l a s t i c ，t p ) ，构成t p - t p 焊接。由 于采用的激光透射焊接是非接触性的，所以这些热塑材料也可以与其它材料焊接 到一起，比如同样具有热塑性的合成橡胶( t h e r m o p l a s t i ce l a s t o m e r , t p e ) 。具有热 塑性的合成橡胶因为同时具有热塑材料的热塑性和合成橡胶的弹性和伸缩性，而 它的焊接处理温度和冷却时间等参数又与热塑材料非常相似，所以用激光透射焊 接的方法可容易实现t p - t p e 焊接。t p e 的手感和摩擦性好，所以t p - t p e 焊接 在汽车工业上的第一个应用就是制造汽车方向盘。此外，t p e 和t p e 也可通过 激光透射焊接的方法被焊接到一起，组成t p e - t p e 焊接。 目前材料搭配研究的一个最新方向是实现塑料与金属和陶瓷材料的激光焊 接。比如说塑料通过金属被激光间接地加热，接触面熔化，然后包围金属，和金 属组成一个非常牢固的联接。在此方面，意大利博洛尼亚大学a f o r t u n a t o 等人 近期研究有了重要突破，已经取得初期实验成果。 1 1 3 激光塑料焊接研究意义 如今金属材质的激光焊接已经在工业中得到了广泛的应用，而塑料材料的激 光焊接才刚刚被发现潜质。技术的进步总是逐渐替代的过程，随着激光设备商业 化的不同发展，激光塑料焊接理论及技术的不断成熟，这一技术的应用必然越来 越广泛。本文就是在此基础上开始对激光塑料焊接物质作用过程及工艺进行研 究，通过深入研究热塑性材料在激光下的物质变化，确立热辐射传递模型及理论 方程，并通过数值模拟结合试验操作，优化工艺过程参数。同时提出了一套自监 控式激光塑料焊接系统，为技术的成熟及推广应用提供工艺参考，设备思路及理 论基础。 国外关于塑料激光焊接技术的研究较早，无论从研究深入或广度都取得重要 成果卜列，同时正向着多元化、功能化、通用化发展。从现有可查资料来看，研 究的内容涉及工艺参数、影响因素分析、设备集成化研究等多个方面，并逐渐形 成产业化自动化应用，如图1 - 6 。而国内的研究现多集中在焊接实验比较，讨论 单一，设备自动化程度低，研究深度有限。所以，研究机关塑料焊接技术，了解 其焊接过程中激光的作用机理，掌握其焊接热辐射模型模拟，掌握其工艺特点和 要求，开发拥有自主知识产权的焊接系统及技术，设计并制造相关的焊接设备， 降低成本，提高塑料焊接产品质量和国际竞争中的地位，对于缩小国内外技术差 距，推动激光塑料焊接在工业制造领域中应用具有重要的意义，对解决实际生产 中的问题也拥有很大的参考价值。 天津工业大学硕士学位论文 图卜6 激光机器人塑料焊接及机器人协同作业 激光塑料焊接在实际中的生产应用价值巨大，不论是之前提到的普通焊接到 微结构焊接，还是生物医疗设备到汽车工业应用【8 。10 1 ，都能很好的发挥其技术特 性。同时相比较传统的塑料焊接工艺，焊接过程更自由，设备自动化程度更高， 焊接质量及力学性能更好等多方面优点。因此，随着技术的成熟发展，设备成本 的降低，其在电气工业、建筑、航空航天、汽车等多行业的应用是必然的趋势。 所以，研究激光塑料焊接技术具有其技术发展空间和市场潜力，具有技术研究现 实意义。 激光塑料常规热板焊接( 5 0 倍率) 1 5 0 倍率下激光塑料焊接缝常规摩擦焊接下的鳞状现象( 1 5 0 倍率) 图l - 7 激光塑料焊接与常规焊接微观对比 1 2 国内外研究现状 最早是在1 9 7 0 年s i l v e r sh j j r 等人利用c 0 2 激光器焊接塑料1 1 1 ，英国焊接 协会( t w 7 ) 以及德国帕德伯恩大学的h p o t e n t e 教授领导的科研团队开展此方 第一章绪论 面研究也较早，并有深入细致的实验基础。2 0 0 4 年，德国帕德伯恩大学p o t e n t e 和f i e g l e r 对激光焊接塑料过程中激光束穿过透明热塑性材料之后的强度分布进 行了实验测定，发现能量分布符合高斯分布，并将此强度分布理论加上修正系数 1 3 1 5 ，用于激光塑料焊接中加热和冷却的二维有限元模型，预测了由外部压力 和热膨胀而产生的熔化聚合物的流动【l2 1 。2 0 0 6 年，美国明尼苏达大学的j a m e s d o n a l dv a nd ev e n 采用黑匣子系统测量用于激光焊接的塑料光学特性；测量出激 光照射塑料样品时的透射光和样品表面的瞬时反射光l l3 1 。2 0 0 7 年，加拿大皇后 大学机械与材料工程系l s m a y b o u d i 、a m b k k 和g z a k 通过仿照无配筋聚酰胺 ( p a ) 6 样本提出了一种激光塑料焊接三维瞬态热模型，利用有限元分析方法求 解出温度分布。并通过实验热成像对比，得到了很好的验证【l4 1 。2 0 0 9 年，德国 m g e i g e r 和t f r i c k 通过对无定型和半结晶热塑性塑料的光学特性和热力学性能 分析，修正了以往激光焊接模型的偏差，重新建立了仿真过程模型。并根据新模 型研究了激光在塑料焊接时的能量转移过程，如图1 3 所剥1 5 j 。2 0 1 0 年，意大 利墨西拿大学的l t o r r i s i 和e c a r i d i 等人从焊接过程的微观离子角度出发，针对 激光焊接的三个不同的机制：热效应、光化学效应和离子注入效应，对焊接过程 的微观过程做了较全面的研究，通过聚合物批量镶嵌薄膜热电偶测出热效应为分 子的振动和退化提供了能量，同时在激光的作用下，光化学效应使化学物质的等 离子体产生大量的自由基，诱使两种聚合物间化学反应粘结，离子注入效应是由 于高能聚合物在两界面不平衡等离子体产生离子引。 图1 - 3m g e i g 盯和z f d e k 确立的热力学修偏模型及模量曲线 我国在激光塑料焊接方面也开展了比较多的工作，2 0 0 5 年，华中科技大学 激光技术与工程研究院袁晖等人建立了半导体激光焊接系统，在此系统的进行了 热塑性塑料激光透射焊接实验，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实验，并对焊接样品的焊接强度进行了测试1 1 7 1 。 2 0 0 6 年，上海市激光技术研究所的王又良等人运用激光透射焊接塑料的原理， 通过选用激光输出功率1 1 0 w 、中心波长8 1 0 5 n m 、功率稳定度士0 5 2 w ( 士0 4 7 ) 、 天津工业大学硕士学位论文 指示光6 3 5 n m 的半导体激光系统，研究了塑料焊接工艺，并对焊接质量进行了 测试，对激光能量密度进行了确定【1 引。2 0 0 7 年北京工业大学姬亚玲采用激光辐 照为技术手段，研究在准分子激光辐照下聚偏氟乙烯( p ) f ) 薄片的材料性能 变化。并通过调整激光能量密度、光束质量、环境气氛、脉冲频率和辐照冲数等 参数，研究其对材料的影响【l 引。2 0 0 8 年江苏大学刘慧霞等人利用正交试验的方 法，研究h d p e 的激光透射焊接工艺参数以及对于焊接质量方面影响。对焊接样 品进行拉伸测试和切片实验，分析各焊接因素对剪切强度和焊缝宽度的影响。影 响顺序为：焊接速度 激光功率 冷却时间 光斑直径 激光频率 夹具的夹紧力， 并采用极差法获得h d p e 相对最佳工艺参数【2 引。2 0 0 9 年华南理工大学黄冬林和 杨永强等人利用光纤激光器进行振镜扫描焊接实验，研究了间距及扫描速度对焊 接强度的影响，结果表明，振镜扫描焊接塑料，随扫描间距的增加，焊接强度先 增大后减小，随扫描速度的增加，焊缝强度也呈现先增大后减小趋势【2 。2 0 1 0 年江苏大学储晓猛等人采用激光穿透焊接高密度聚乙烯试样件，随着激光光斑直 径的减小、焊接速度的降低或功率的增加，接头强度及伸长率均有提高，进一步 从激光体能量角度分析了影响接头强度的因素【2 引。 釉_ _ _ 睁黼。“旃* 缈! 一带州确嘲嘲 溢越羹滋if 纛鼍： 图l _ 4 储晓猛等人焊接高密度聚乙烯试样件 激光焊接塑料研究主要在塑料材料、工艺、吸光剂、焊接组织及性能等方面， 应用领域逐渐拓展到激光塑料微焊接。2 0 0 5 年c h e n t 2 3 】等人研究了可以用于焊接 微流体工件的焊接系统，该系统精度可以达到2 肛m ，采用非接触加工模式，焊接 质量较高。同时，还介绍了系统加工的特点及利用该系统可以低成本大批量的潜 力。2 0 0 5 年俄亥俄州立大学的g r e w e l l 2 4 1 利用衍射激光进行塑料微结构焊接( 焊 接尺寸 0 z = 0 t 0 z = z ( t ) t 0 ( 2 3 1 ) 其中1 , 2 表示液相和固相，瓦表示熔化温度；厶为材料的熔化潜热；t 为熔 化时间。设t 。是激光照射材料表面到开始熔化所需的时间，由此可以得出： 当t = f 。时达到最大熔化深度。 = 警l 昏) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 式中的大小取决于材料本身性能， 以及争的值较大时，熔化面穿透 h 深度就较大。同时激光功率密度只。对熔融过程也有很大的影响。只。越小，熔融 深度越大，但同时材料表面加热所需时间越长。所以，在实际应用中，通过调节 激光能量密度改变熔融深度时，需要对作用时间进行相应的调整。对于塑料焊接 貉 一4 = 陌 f 天津工业大学硕士学位论文 来说，为获得较好的焊接性能，应保证熔化穿透深度。同时也不能过分熔融，否 则将导致被焊接件出现穿孔、渗出等不良现象。 2 3 2 材料气化 在激光塑料焊接的技术应用中，被焊材料的气化是最为常见的不良现象。通 常是由于激光的功率过高；光斑直径过小；作用时间过长等原因造成。在透射焊 接中，夹紧力是焊接性能的一个重要影响因素，其目的是为保证焊接的两试件能 够保证无空隙紧贴。不良因素导致材料单位面积内辐照的激光能量流增加，材料 表面温度上升超过其熔融气化温度，进而发生气化现象。在两试件间的激光熔融 结合区内将会存有大量气泡，熔池移位，焊接性能下降。严重时将导致熔液渗出， 烧灼沟壑等现象。 高强度激光持续照射材料表面时，表面温度达到熔点温度，形成熔融层，继 续上升温度，材料表面将发生气化现象。气化的形成中，一部分吸收的激光能量 流变为蒸汽潜热，蒸汽动能以及喷溅辐射的热量，另一部分传递到材料作用区。 最终，在强度较低的条件下，喷溅的蒸汽不能形成强吸收，整体达到一个稳定状 态。假设强度均匀分布的热量引起表面蒸发，此时 一 要：只。z ：姒f o 0 2 ( 2 - 3 5 ) 这里的潜热只。必须包含熔化潜热，蒸发潜热以及从熔点到沸点的热量需求。 表面蒸发速度为 塑d t 面翻- r ) lp 陋，+ 厶+ c 亿 式中，乃表示稳定表面温度；只= 。 因而气化深度为： z 一= v o t 。) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 第三章激光透射焊接比尔朗伯定律数理模型 第三章激光透射焊接比尔朗伯定律数理模型 3 1 激光透射光路轨迹 激光透射焊接技术应用中，光束穿过透射材质，在吸收材质表面发生作用。 光束在均匀折射率介质内，光线在两个相继的反射或散射地点之间沿直线传播。 介质的组分、密度、温度的非均匀性常导致介质折射率的连续、非均匀分布，并 产生折射率梯度。当介质折射率连续变化时，介质内光线将发生弯曲而改变传播 方向【3 2 1 。 费马原理通常也称为最短光程原理。这一原理认为：一条实际光线在任何亮 点之间的光程 三= n ( x , y ，z 迅 ( 3 - 1 ) 比连接这两点的任何其他曲线的光程都要短。式中，折射率n ( ) 【 弘z ) 为空间 坐标的函数；s 是光线轨迹的弧长。 在直角坐标系中，令 f c 马x ，y ，z ，z ：，y ：，z ：，= 门c 戈，y ，z ) ( 妄) 2 + ( 考) 2 + ( 妄) 2 “2 c 3 2 ， 由于( 塞) 2 + ( 丢) 2 + ( 妄) 2 = - ，式c 2 彩可等价为 工= j ：f ( 跗成名i d x ，去， 协3 ， 图3 - 1 透射焊接光线路径 天津工业大学硕士学位论文 在激光透射焊接过程中，激光以垂直于工作平面的角度入射，光强在表面有 微小折射，大部分光束保持其原有性质入射到上层透射材质。透射材质组分、密 度以及分布呈均匀性，从而光线在其中的传播没有梯度上的变化量。依据费马原 理可知，光束将以最短光路方程垂直照射在下层吸收材质表面。 3 2 比尔朗伯定律 比尔朗伯( b e e r - l a m b e r t ) 定律又称比尔定律，是光吸收作用基本定律，适 用于电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子 3 3 - 3 5 1 。 比尔一朗伯定律描述了物质对某一单色光吸收的强弱于吸光物质浓度和厚度 之间的关系。一束单色光照射于一吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，由 于介质吸收了一部分光能，透射光的强度就要减弱。吸收介质中吸收粒子浓度愈 大，介质的厚度愈大，则光强度的减弱愈加显著。其关系为： 彳= - o s - o 等- - o ；= 川。c ( 3 6 ) 其中： a 为吸光度o i o 为入射光的强度o i t 为透射光的强度o t 为透射比，或称透光度； 当介质厚度l 以m m 为单位，吸光物质浓度以g l 为单位时，k 用a 表示， 称为吸收系数，其单位为三g m i g ，此时比尔朗伯定律表示为a = a l c 。 在比尔朗伯定律推导前，需要明确其应用的几个前提条件： 1 入射光为单色光且垂直照射； 2 吸光物质为均匀非散射体系； 3 吸光质点之间无相互作用： 4 辐射于物质之间的作用仅限于光吸收过程，无荧光和光化学现象发生。 第三章激光透射焊接比尔朗伯定律数理模型 麓 s j ，。t - - - - - p x = od xx = i 图3 2 光束通过截面积s 厚度i 的吸光介质 在以上前提下，假设一束强度为厶的平行单色光( 入射光) 垂直照射于一块 各向同性的均匀吸收介质表面，在通过厚度为1 的吸收层( 光程) 后，由于吸收 层中质点对光的吸收，该束入射光的强度降低至，称为透射光强度。物质对光 吸收的能力大小与所有吸光质点截面积的大小成正比。设想该厚度为l 的吸收层 可以再垂直于入射光的方向上分成厚度无限小的多个小薄层d l ，其截面积为s ， 而且每个薄层内，含有吸光质点的数目为d n 个，每个吸光质点的截面积均为a 。 因此，此薄层内所有吸光质点的总截面积d s = a d n 。 假设强度为i 的入射光照射到该薄层上后，光强度减弱了d i 。d i 是在小薄层 中光被吸收程度的量度，它与薄层中吸光质点的总截面积d s 以及入射光的强度 i 成正比，也就是 d = k t l d s = k l l a d n 符号表示光强度因吸收而减弱，t 为比例系数。 假设吸光物质的浓度为c ，则上述薄层中吸光质点数为 d n = 6 0 2 1 0 2 3 c s d l 代入式( 2 - 7 ) ，合并常数项并设如= 6 0 2 1 0 2 3 向舔，经整理得 一塑：七栅 l 。 对( 2 9 ) 式进行定积分，则有 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 天津工业大学硕士学位论文 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中l o g 。挚称为吸光度( a ) ；而透射光强度与入射光强度之间的比值争称 l0 为透射比，或透光度( t ) ，其关系为： ，l 4 = 1 0 9 i o 孚= l o g l o = k b c 即为比尔- 朗伯定律。 1 由以上推导过程可得，比尔朗伯定律的物理意思为当一束平行单色光垂直 通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度a 于吸光物质的浓度及吸收层厚 度l 成正比。 当介质中含有多种吸光组分时，只要各组分间不存在着相互作用，则在某一 波长下介质的总吸光度是各组分在该波长下吸光度的加和，这一规律称为吸光度 的加和性。 3 3 激光透射焊接过程及比尔定律模型 3 3 1 比尔定律适用分析 随着激光技术的成熟，以及塑料工业的发展需要，国内逐渐意识到激光透射 焊接热塑性塑料技术的优越性。然而在技术研究上多是集中在实验讨论阶段，对 激光透射焊接过程并没有提出适用性理论模型。在研究讨论透射焊接模型前，首 先要对作用过程有较深入的了解。 如图3 - 3 所示，激光透射焊接过程是由一束平行光垂直照射在材料表面。光 束首先照射在透射材质，在透射材质中存在反射、折射等光学现象，但相对能量 消耗极小( “) ，对激光束能量密度及方向性不构成较大影响。进而激光束透 过透射材质照射在吸收材质区域，由于激光在透射材质中能量损耗较小，相当于 激光束直接作用在吸收材质表面。如第二章所述，材质吸收了激光绝大多数能量， 并迅速熔化形成焊缝。 归 叫 一 = 刊 一 刃一， t厶 生 第三章激光透射焊接比尔- 朗伯定律数理模型 图3 3 激光透射焊接光束作用机理 在此过程中，激光照射材质表面时，只有在被材质吸收才能发生后续内部热 响应过程。因此透射层材质没有发生内部的热响应过程，从而不会产生熔化现象。 同时按照近代物理的观点，激光在材料表面与材料的微观粒子的相互作用使已个 全量子化的能量交换过程。在激光与材料作用的常规方法中，由于强激光束中的 光子流量巨大，在考察宏观热作用的空间及时问范围内，将发生极大数量的微观 粒子问的能量交换，能量交换的量子化过程基本不能察觉。也就是说，在激光与 其他材质的常规作用中，虽然能量的转换首先要通过表面的量子化过程。但由于 工艺特点及材料属性等原因，能量吸收绝大多数是以热辐射的过程扩散到基体内 部。 然而在激光塑料焊接过程中，由于塑料熔点较低，激光焊接多采用低功率、 大光斑、高速度的方式加工。激光束中光子流量相对减少，单位面积上作用光子 量减少。同时，由于热塑性塑料材质导热性能差，在激光作用其表面过程中，能 量无法得到有效扩散，使局部温度迅速升高，在夹持力的作用下形成熔池并和上 层材质结合成为焊缝。激光能量多是以表面吸收的形式作用于材质，热辐射微观 粒子间能量交换较少。 因此激光透射焊接塑料的过程中，透射材质对激光束能量及方向性损耗较 少，绝大多数光束保持其原有性能照射在吸收材质表面。由于工艺特点及热塑性 材质属性，光束作用过程以表面吸收为主，作用速度快，焊缝深度小，熔融区域 大。焊缝直接形成于两层材质之间，从而完成焊接过程。 激光本身是一种能量密度高，方向性强及单色性好的电磁波。因而符合比尔 朗伯定律入射光要求。同时通过上述讨论可知，在透射焊接过程中，材质均匀 且散射能量较少；熔化深度小，受吸光质点间相互作用小；无荧光和光化学现象 发生。因此，激光透射焊接热塑性塑料可以采用比尔朗伯定律建立参数推论。 天津工业大学硕士学位论文 3 3 2 透射焊接数理模型 塑料材质中吸收光能物质是材料内部各吸光粒子，对于非透明材质而言通常 是材料中添加的色素粒子。粒子的分布是以均匀同性状态存在。假设激光束作为 单色光源垂直作用面以匀速运动，吸收材质在表面吸收激光能量产生带状焊缝。 由于熔化深度较小且焊接宽度大，可以近似等效为片状熔融区域，如下图所示。 利用比尔定律，进行参数推导。假设激光束强度为j r 0 的垂直入射试件，穿过 光束透射材质照射于均匀吸收介质表面，在通过厚度为z 的吸收层后，材料内部 吸光粒子对光吸收并熔融，入射光强度也降低至透射光强度j 。设想该厚度为z 的焊缝熔融层可以在垂直于入射光的方向上分成厚度无限小的多个小薄层d z ， 其截面积为s ，而且每个薄层内，含有吸光质点的数目为d 1 1 个，每个吸光质点 的截面积均为a 。因此，此薄层内所有吸光质点的总截面积d s = a d n 。 假设强度为i 的入射光照射到该薄层上后，光强度减弱了d i 。d l 与薄层中吸 光质点的总截面积d s 以及入射光的强度i 成正比，通过3 2 的推导可得出： - d i = k l i d s = k l i a d n 将咖用c 、s 和d z 表示，并代入整理后可得 一了d i ：6 0 2 x 1 0 2 3k l a s c d z l ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 其中，c 为吸光物质的浓度；k l 为比例系数。 对于同种材料，其吸光粒子截面积a 和吸光物质浓度是确定常数，故设一常 数口= 6 0 2 1 0 2 3 k l a c s ，代入式( 2 - 1 4 ) d ， 一= 纰 i 对式( 2 - 1 5 ) 式进行定积分，则有 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 式中， i 出射光束强度，在塑料焊接中是材料熔融临界光强度：口为与材 料自身属性相关的常数；z 为焊缝熔化深度；厶为入射激光束光照强度，设焊接 出口 z 广上 口 = 1 l 塑j 一厶 e h 第三章激光透射焊接比尔- 朗伯定律数理模型 激光柬功率p ，焊缝宽度w ，光束沿运动轨迹的移动速度为v ，时间t 内激光作 用能量e = a ，作用面积为w v f ，则入射激光束光强为： 厶= 詈= 熹= 去 特群斌井 图3 - 4 激光离焦距与焊接宽度关系图 ( 3 1 8 ) 如图3 - 4 所示，焊缝宽度w 即为激光作用在吸收材质表面的光斑直径，通过 激光束聚焦距，0 以及聚焦光束直径d ，可得 w ：d ：刿 厶 l 为实际离焦距，将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 9 ) 厶2 磊p 。巫p 甄2 蒜 厶 代入式( 2 1 7 ) 可得 ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) 其中厶、。 i l 在实验参数确定后，为已知常数，设p = 量l 旦o ，则有激光 透射焊接热塑性塑料比尔定律模型表达式： 蒜 天津工业大学硕士学位论文 ：唐一 | f 0 4 v p ( 3 2 2 ) 式中p ：4 旦为实验参数可知量；口是和焊接材质本身属性相关的光吸收 0 量。 3 4 实验参量标定及推论 在式( 2 2 2 ) 激光透射焊接方程中，有四个未知目标量，分别为：激光功率 p ；离焦距，；激光运动速率v 以及焊接熔化深度z 。激光器选定后，聚焦距，。 ( 2 0 0 m m ) ，聚焦光束直径d ( 4 0 m m ) 均为已知值。i 。及a 可通过实验标定的方 法获得。从而确定下方程中所有参量，方程所表示的是p 、i 、v 和z 的函数方程。 图3 - 5 实验现场 如图3 5 所示。激光光束垂直照射在待焊试件表面，设定激光加工功率为 2 0 0 w ，工作离焦距为2 5 m m ，激光移动10 m m s 。实验试件选用黑色p m m a 材 质，相对密度( 3 0 4 ) 1 1 8 8 1 2 2 ，折射率1 4 9 ，拉伸强度6 0 7 5 m p a ，1 2 1 3 k j 米冲击强度0 1 9 w c m k 导热系数，比热容1 4 6 4 j k g k ，分解温度2 0 0 。 图3 - 6 焊接标定试件及电镜下熔池微观尺寸 激光功率在8 0 w 时，吸收层表面熔融现象不明显，求得： 第三章激光透射焊接比尔朗伯定律数理模型 l ：土：