（机械制造及其自动化专业论文）热塑性塑料激光透射焊接的研究.pdf

江苏大学硕 士学位论文 摘要 热塑性塑料的激光透射焊接以其优良的焊接质量、易于控制、可焊接微小零 件( 尺寸小于5 0 0 聊) 等诸多优点成为人们研究的热点，特别是汽车热塑性零件， 激光透射焊接已成为该领域的首选加工方法。但是国内对于该课题的研究还非常 少，无论是理论、专利申请还是产业化方面都无法与国外相比。因此，开展激光 透射焊接塑料研究有着十分重要的意义。 本文首先建立了p p ( 聚丙烯) 和h d p e ( 高密度聚乙烯) 透射焊接过程的热流 模型，由热流数学模型得出：在焊接过程中，焊接样品的温度变化量a t 和激光功 率p 、光斑直径d 、焊接速度v 、焊接时间r 、材料对激光的吸收率4 ，、材料密度p 有关，该模型为确定焊接实验影响因素提供了重要的理论依据。其次，设计了激 光透射焊接的实验方案，包括选择激光器、焊接材料、焊接方法、吸收剂、设计 了满足透射焊接特殊要求的专用夹具并用正交实验法设计出焊接实验方案。最后， 为了研究焊接因素对焊接质量的影响，实验对焊接样品进行拉伸测试和切片实验， 分析了焊接各因素对拉伸强度和焊缝宽度的影响，分析结果发现对于p p 各焊接因 素对焊接强度的影响的大小顺序为：焊接速度、激光器的频率、焊接后冷却时间、 夹具的夹紧力、光斑直径、激光器功率；对于h d p e 则为：焊接速度、激光器功率、 冷却时间、光斑直径、激光器的频率、夹具的夹紧力；无论对于p p 还是h d p e ，焊 接速度对焊接质量的影响始终是最大的，一般而言较低的焊接速度可以得到质量 较高的焊接，论文还用极差法确定p p 和h d p e 的最佳焊接工艺参数。对于焊接和测 试过程出现的黑色焊缝、伪断裂等现象，论文也进行了分析，发现激光能量密度 过高会导致样品表面焦化形成黑色焊缝，焊缝不均匀则产生伪断裂现象。对除此 之外，实验部分还对西种吸收剂在焊接中的效果进行了比较，实验结果表明黑漆 涂层的焊接效果要比黑色薄膜好。 关键词：激光焊接、塑料、吸收剂、透射焊接、工艺参数 江 苏大学硕 士 学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ep e o p l ea r eh i # d i 曲t i n gl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n go ft h e r m o p l a s t i c b e c a u s eo fs om a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha se x c e n e n tw e l d i n gq u a l i 哆、e a s yt oc o n t r o l 、 a v a i l a b l ef o rm i c r o w e l d i n g ( w e l dl e s st h a n5 0 0 u m ) a n d , s oo n , e s p e c i a l l yt h e r m o p l a s t i c p a r t si na u t o m o b i l ei n d u s t r y ，l a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n gi st h ef i r s tc h o i c ei nt h o s e f i e l d s h o w e v e r , t h e r ea r ef e wd o m e s t i cs t u d yo nt h i sr e s e a r c hs u b j e c t , w h i c hr e s u l t si n h u g eg a pb e t w e e nd o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d yo nt h e o r y 、i n d u s t r i a l i z a t i o na n dp a t e n m t h e r e f o r e ，s t a r t i n gr e s e a r c h o nl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n go ft h e r m o p l a s t i ch a s s i g n i f i c a n tm e a n i n g t ot h i ss u b j e c t f i s to fa l l ，ah e a tf l o wm o d e li n w e l d i n gp r o c e s s i se s t a b l i s h e df o rp p ( p o l y p r o p y l e r i e ) a n dh d p e ( h i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ) ac o n c l u s i o nc a n b eo b t a i n e d f r o mt h em o d e lt h a tw e l d i n gm a t e r i a l st e m p e r a t u r ec h a n g ea td e p e n d so nl a s e r p o w e r p 、b e a md i a m e t e ro nt h em a t e r i a ld 、w e l d i n gv e l o c i t yv 、w e l d i n gt i m e t 、r a t i o o fa b s o r p t i o no fm a t e r i a la r 、m a t e r i a ld e n s i t yp ，s ot h em o d e lp r o v i d e sv e r yi m p o r t a n t t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e t e r m i n i n gi n f l u e n c i n gf a c t o r s s e c o n d l y ，e x p e r i m e n t a ls c h e m ei sp l o t t e df o rw e l d i n ge x p e r i m e n t s ，w h i c hi n c l u d e s c h o o s i n gl a s e re q u i f ，m e n t 、w e l d i n gm a t e r i a l s 、w e l d i n gm e t h o d 、a d d i t i v e s 、d e s i g n i n g n e wf l x m r es p e c i a l l yf o rl a s e rt r a n s m i s s i o nw e l d i n ga n dd e s i g n i n gw e l d i n ge x p e r i m e n t s s c h e m ew i t ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n a tt h ee n do ft h ep a p e r , t e n s i l ea n ds e c t i o nt e s t sa r ec o n d u c t e df o re x p e r i m e n t a l s a m p l e si no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gf a c t o mo nw e l d i n gq u a l i c y a n dt h ei n f l u e n c eo fw e l d i n g 蠡咖培o nt e n s i l es t r e n g t ha n dw e l d i n gs e a ms i z ei s a n a l y z e d ，w h i c hi n d i c a t e ss u b s e q u e n e ea c c o r d i n gt o i n f l u e n c ef o rp pi s w e l d i n g v e l o c i t y 、l a s e rf r e q u e n c y 、c o o l i n gt i m e 、f i x t u r ep r e s s u r e 、b e a md i a m e t e ro nt h em a t e r i a l 、 l a s e rp o w e r ；s u b s c q u e n c ef o rp pi sw e l d i n gv e l o c i t y 、l a s e rp o w e r ，c o o l i n gt i m e 、b e a m d i a m e t e ro nt h em a t e r i a l 、l a s e rf r e q u e n c y 、f i x t u r ep r e s s u r e w e l d i n gv e l o c i t yh a sm o s t i n f l u e n c eo i lw e m i n gs c a r nq u a l i t yf o rb o t hp pa n dh d p e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tl o ww e l d i n gv e l o c i t yc a no b t a i nh i g hq u a l i t yw e l d i n gg e n e r a l l y t h i s p a p e rp r e s e n t sd e t a i l e da n a l y s i so nb l a c kw e l d i n gs e a ma n df a k ef r a c t u r ei nt h ec o u r s e o fw e l d i n ga n dt e s t i n g , f i n d i n gh i g hl a s e rp o w e rd e n s i t yc a nr e s u l ti nc o k i n go n s a m p l e s f a c e sa n dt h a tf a k ef r a c t u r e 印p e a r sw h e nw e l d i n g s e a mi sn o te v e n b e s i d e s ， t h eo p t i m i z e dw e l d i n gp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e du s i n gr a n g em e t h o d , a n dw e l d i n g q u a l i t yi sc o m p a r e dw h e nb o t ht w ok i n d so fa d d i t i v e sa l eu s e d a n de x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tb l a c kc o a t i n gi sb e t t e rt h a nb l a c kf n m sf o r w e l d i n g k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g 、p l a s t i c s 、a d d i t i v e 、t r l rw e l d i n g 、t e c h n i c a lp a r a m e t e r s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位敝储虢了，虱氏指导教师繇霜 冲只即 一每肿p 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 虱氐 日期：加7 年厂月，9 日 f 江 苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪以来，人们就用化学合成的方法，制成了一系列的合成树脂，塑料 工业在此基础上逐渐发展起来。随着塑料工业的发展，塑料不仅在人们的日常生 活中占有很重要的地位，在电气工业、建筑、航天航空、汽车、医学、工业设备 等行业也都有着广泛的运用，特别是军工事业和尖端科学技术部门塑料材料更是 必不可少，塑料可以代替传统的材料如玻璃、陶瓷、木材、金属及天然纤维等等， 如每辆汽车现在平均要使用l o o g g 以上的塑料，国外塑料在建筑领域中用量占塑 料总产量的一半加。 塑料工业的发展也带动了塑料制品业的发展。大多数的塑料制品都是模制品， 其尺寸及结构复杂程度因模具的尺寸和结构所限而受到制约，在生产大型复杂的 热塑性塑料零件时尤其明显，因此对复杂的塑料件的加工即二次加工成为人 们日益关心的问题，快速与可靠的连接方法成为人们追求的目标。工程上比较常 用的热塑性塑料及其复合材料的连接方法主要有粘结、熔接和焊接，塑料焊接的 方法主要有热气焊、热板焊、摩擦焊、震动焊以及超声波焊接等，而且一些新的 焊接方法正在快速的发展中，如微波焊接 3 3 红外焊接h 3 、激光焊接晒3 和利用聚 焦的太阳能进行焊接睁8 3 等等。其中激光塑料焊接作为一种新兴的焊接技术，有 诸多的优点： 能生成精密、牢固和密封( 不透气和不漏水) 的焊接； 易于控制，可实现自动化操作，具有良好的适应性； 只有焊接区域受热的影响，对焊接件其他部分没有任何损坏； 能够将许多种类不同的材料焊接在一起； 不可见焊接头，焊接速度高，焊接质量商； 极大地减小了制品的振动应力和热应力； 焊接设备维护费用很低： 由于塑料激光焊接技术有以上诸多的优点，所以其应用领域将非常广泛： 江 苏大学硕 士 学位论文 汽车零部件：由于塑料，树脂、特种玻璃等材料在汽车上得到了越来越广 泛的应用，所以激光焊接热塑性埋料、合成树脂、合成橡胶，以及一些特种玻璃 等车用材料在汽车工业中应用广泛。 电子器件产品封装：电子器件产品的封装技术对于焊接环境和工艺的要求 非常严格，因此塑料激光焊接作为一种干净的连接方法有很大的应用空间。 医疗器械：某些特殊用途的医用塑料器械产品，其形状和产品结构构成要 求必须用焊接的方法； 包装工业：高级工业制成品的包装，可以得到加工高速、接缝可靠、外表 美观的塑料包装。 纺织品：激光焊接纺织品可以被称作激光缝合。其接缝牢固可靠、加工速 度快的优点非常适合缝合纺织品。 基于以上的优点，激光焊接必将成为热追性塑料及其复合材料的理想连接 方法。 1 2 透射焊接的国内外研究现状 1 2 1 国内外理论研究 1 国外理论研究 国外对激光焊接塑料技术的理论研究比较广泛，研究也比较深入，主要包括 以下几个方面： ( 1 ) 焊接工艺参数的研究 激光焊接崾料的过程受众多因素的影响，比如：激光器的功率、实验材料厚 度和种类、焊接速度、光斑直径的大小、夹具压力、吸收剂。要想准确的研究焊 接工艺参数就必须涉及尽可能多的影响因素。就焊接工艺参数而占，国外的研究 可谓是如火如荼：2 0 0 5 年a b r e u 吲、k u r o s a k i 1 0 j 、d a u r e l i o 1 研究了用c d ，激光 器焊接p p 、h d p e 样品，并用不同的测试方法对样品进行强度测试；2 0 0 6 年 p r a b h h a k a r a nr 1 2 、b a c h m a r m 3 3 等人研究用二极管激光器焊接了热坦性塑料材料的 焊接工艺；2 0 0 3 年c o e l h o n 4 1 等人用阿种c 0 2 激光器焊接设备焊接厚度为l o o p m 的 2 江 苏大学硕士学位论文 热塑性塑料，并设计了新型焊接用夹具；2 0 0 2 年k i m i t o s h in 卯等人通过实验研究了 各种颜色热塑性塑料搭接焊的特点、材料对激光能量的吸收率对焊接强度的影响， 而且还通过计算焊接区域的温度分布研究了不透明塑料对激光辐射吸收率的影响 2 0 0 3 年b e c k n “7 1 等人在其文章中就详细阐述了激光焊接技术在微电机系统中的应 用，通过实验，他们还发现焊接参数和焊接的强度有直接的关系。 2 0 0 5 年俄亥俄州立大学的d o n g 自己构建卤钨灯焊接系统，用点焊和承接焊 结合的焊接方法将6 m m 的h d p e ( 高密度聚乙烯) 焊接在一起，如图1 - 1 所示。 焊接参数为：卤钨灯功率8 0 w 9 0 w ，焊接时间为2 3 0 s 6 6 0 s ，吸收剂为黑色薄 膜、p e 碎片、碳黑的混合物。经各种强度测试之后表明，它可以经受0 9 9 9 7 m p a 的气压( 是其正常工作压力的2 5 倍) ，所以不可能发生泄漏；在经受1 6 0 。的弯曲 角度之后，没有任何一个试样在焊接区域出现断裂现象；试样可以承受的最大拉 伸载荷是1 7 k n ；冲压试验中也没有断裂，综合实验结果表明焊接强度远大于母 材的强度。 图l - i 激光焊接塑料管件示意图1 8 1 用n d ：y a g 激光器代替卤钨灯作为热源的可行性研究表明可以用点焊和 对焊将p e 承接件和塑料管焊接起来。通过增大激光的功率，调整激光焦点的大 小，激光也可以进行高质量的焊接。 吸收莉在激光焊接的工艺中具有举足轻重的作用，也是长期以来研究的热点。 2 0 0 6 年德国亚琛塑料加工技术研究所的h a b e r s t r o h 吼、h o f f m a n n 夫琅和费激光 技术研究所的p o p r a w e 、s a d ，俄亥俄州立大学的d o n g ，都对吸收剂在焊接过程 中的作用做了研究。m h c r s t r o h 等人研究了焊接过程中碳黑含量对激光透射深度、 3 江 苏大学硕 士 学位论文 焊接的形态、焊缝精确度的影响，d o n gh u nn o ( 1 钔研究了碳黑含量对材料吸收激 光辐射能最的影响，研究发现碳黑在吸收剂中的含量并不是越高越好，0 0 7 是 碳黑含量的最佳值，碳黑含量的影响还可以由焊接过程参数来补偿。聊i f 英国焊 接学会) 和g e n t e x 公司合作研究出一种用于激光埋料焊接的新型吸收削，这种吸 收剂既可以焊接透明的塑料也可以焊接半透明的颦料，能形成肉眼几乎看不到的 接头，用新型吸收剂焊接出来的样品如图1 2 所示。 图1 - 2 用新犁吸收荆焊接出来的样品2 0 1 这种染料可以通过着色( 涂漆) 、印刷加入塑料主体，也可以插入接头处的薄 膜中。 综上所述，国外对于激光塑料焊接的研究还是比较深入的，研究范围也比 较广泛，包括工艺参数、焊接方法、吸收剂等等。但是他们研究焊接用的激光器 大多数是c 0 2 激光器，c 0 2 激光器所发出的光波能被绝大多数的塑料材料所吸收， 基于这一特点，c 0 2 激光器所能焊接的翅料都是比较薄的，大约是几十到几百个 , u m ，要想焊接厚度是几个咖的材料，就必须使用n d ：y a g 激光器，采用新的焊 接工艺，这就为激光焊接领域提出了新的课题。而且上述研究中焊接样品的强度 测试过于简单，基本上足拉伸测试，标准比较单一，有待于进一步完善。 ( 2 ) 激光微焊接 激光是一种特殊的光，所以光具有的惟质激光也有。随着激光技术的逐渐 成熟，俄亥俄州立大学的g r e w e l l 旺2 0 0 5 年提出用衍射光进行翅料微焊接( 焊接 尺c d , 于5 0 0 z m ) 这项新技术。2 0 0 6 年h u s t e d tm 1 等人将激光透射焊接用于假 牙修补，焊接小型零件。牙齿是由p c 制成，牙齿表层是由透明的p c 制成，表 4 江苏大学硕 士学位论文 层厚度是4 0 0 a m ，对有和没有掩膜两种情形下的焊接件都进行测试，研究还讨论 了两种情形下激光功率、焊接速度、聚焦位置的影响。2 0 0 5 年c - h e n 旺3 1 等人研究 了焊接微流体塑料件的装配系统，该系统精度很高可以达到2 z m ，采用非接触式 加工，焊接质量很高。与此同时，还介绍了系统的加工特点、以及该系统低成本 大批量生产的潜力。2 0 0 1 年h a b c r s t r o h 1 等人在i k v ，在宏观焊接参数的基础 上，选择适当的焊接参数将微部件焊接起来。 就现有的资料来看，激光透射微焊接还是一个新的领域，国内外对其研究 都比较少，究其原因还是因为透射焊接微小零件难度较大，焊接参数难以控制， 但是微观领域对高质量焊接的需求会推动对这类课题的研究。 ( 3 ) 焊接实验与模拟相结合 对于新材料的焊接，由于没有先例可循，众多焊接参数如果一一尝试的话， 需要消耗大量的资源，所以研究人员就用有限元模拟来确定起始的焊接参数。 a t a n a s o vm 1 、2 0 0 2 年b e c k e t1 2 6 2 0 0 3 年h i l t o n 2 7 1 等人对此进行了研究。他们 建立焊接过程的数学模型，并用了模拟和实验相结合的方法对焊接工艺参数进行 研究，结果表明模拟的结果和实验数据很好的吻合。 2 国内理论研究 国内对激光焊接塑料的研究主要为激光焊接的工艺参数。2 0 0 5 年华中科技大 学袁晖捌，2 0 0 3 年陈西曲啷1 、2 0 0 6 年上海市激光研究所的王又良啪1 对焊接参数 进行了研究。华中科技大学陈西曲不仅对激光焊接系统进行了研究还用该系统将 有机玻璃( p m m a ) 和聚丙烯塑料( p p ) 在81 ) - m 的光斑下成功的焊接在一起：袁晖 等人研究了有机玻璃( p m m a ) 的焊接工艺，焊接样品的测试强度达至 j 5 8 m p a ，高于 母材的强度，王又良将p m m a 、p c ( 透明材料) 和黑色a b s ( 吸收材料) 焊接起来， 测试发现当激光功率达到9 1 w 的时候焊接材料的强度达到最大值1 4 2 7 n 。 就现有的资料来看，国内关于激光塑料焊接的研究还是很少的且集中在高 校，只有少量关于焊接工艺参数的研究，焊接的材料也很单一，尚需投入很大的 人力进行研究。 5 江 苏大 学硕士学位论文 1 2 2 国内外产业化状况 1 国外产业化状况 对于激光塑料焊接技术，国外不仅在理论上进行了深入的研究，在工业运用 方面发展也相当快，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 先进的激光焊接设备 在2 0 0 1 年十月德国举行的k 2 0 0 1 展览会上展出了一些全新的激光设备， b i e l o m a t i k 、l e i s t e r 和b r a n s o n 等几家欧洲公司展示了更能节省成本、更高效的专 门用于塑料的焊接系统。 b i e l o m a t i k 公司的l a s e r - t e e 系统采用功率7 0 2 5 0 w 的n d ：y a g 激光器，使 用高速的扫描镜，可以使激光束快速扫描全部焊缝，l a s c r - t c c 系统能够焊接最大 的区域为5 6 0 x 2 8 0 m m 。该系统在欧洲已被订购了2 0 套，另外全球还有3 0 家公司 正计划采用这套系统。目前它正在应用于加工b c n z 汽车的电子开门器。 瑞士l e i s t e r 公司推出了世界上首个无需央持装置的3 d 塑料制件球形焊接系统 一g l o b o ，如图1 3 ，图1 - 4 ，图1 5 所示。这套系统最先进之处在于采用一个无摩擦的 旋转滚动玻璃球空气轴承进行聚焦。该玻璃球形透镜既可聚焦激光能量。也可以在 粘接面的每个点上直接施加机械压力，具有两重作用。以前通常需要采用玻璃器 具将两个塑料部件相互夹紧在一起才能进行激光焊接，现在激光头就能起到这个 夹紧媒介作用。 l 壑1 1 - 3g 1 0 b o 焊接的示意图 图1 4g 1 0 b o 焊接汽车车灯3 1 6 江苏大学硕 士 学位论文 e f l l - 5l e i s t e r 公- h 的g l o b 0 焊接系统3 2 l e i s t e r 公司的新型n o v o l a sc 型焊接机使用高功率的半导体激光器，工作时 光束固定不动，而塑料制品置于x 、y 方向受程序控制的工作台上，激光点沿着 整个焊接路线进行移动，焊接的最大区域面积为2 5 0 x 2 5 0 m m 。n o v o l a ss 型焊接 机则将激光点整形为一条直线或者曲线，可同时照射整个结合处。而该公司生产 的另一机型n o v o l a sm 系统采用掩膜覆盖技术，能生成更细、更精确的焊缝，特 别适用于医药设备的微连接，可达到2 z m 的精度。 另一家激光焊接设备供应商l e a s a r o u i p m e n t 则推出了其杂混式激光处理3 d 部件的粘接工艺技术设备，该设备卤素灯发射的红外线光波聚焦点与激光束照射在 焊接部件的点位置相同但可以平均分布焊接面上的热量。和比传统的激光轮廓式 焊接工艺相比，在焊接1 5 m m 厚的p p 样板时，加工部件的输送速度比传统焊接机 快2 倍。 最近，美国黑福斯激光技术公司公布了一项最新的塑料焊接技术，研究人员认 为这一技术在包装业中将有很大的应用潜力b 引。 传统的激光焊接技术依靠光纤来传输激光，结果焊缝宽度仅有l m m 左右，这一 局限使激光焊接大尺寸零件或几何形状复杂的塑料件成为一个费时又困难的工 序。但是黑福斯公司研制的双极高能激光系统，焊接接头的宽度可达2 0 m m ，因而能 对大尺寸热塑材料进行焊接。这项技术己成功地应用于聚丙烯、聚碳酸酯及薄膜 7 江 苏大学硕士学位论 文 材料的焊接。这项技术也可进行不同材质崾料之间的焊接，如泡沫塑料和塑料薄膜 之问，以及塑料模具之间的焊接。 ( 2 ) 激光焊接技术在汽车工业的运用 丰田汽车公司已经将激光塑料焊接技术用于发动机汽车零部件的焊接加工。 如发动机的进气歧管( 材料为p a 6 塑料) 、燃料箱内的断流阀、车灯，如图1 - 6 。 为了提高发动机的性能，进气歧管安装了可调吸气阀( a c i s ) 。安装一个可调 吸气阀要用4 根螺栓固定，为防止漏气还要采用了密封颦圈。但是用激光焊接的 方法，不仅具有密封性好的特点，还可省去螺栓、螺帽、垫圈和气体密封圈，达到 降低成本的目的。 图i - 6 激光焊接进气歧管示意图圳 激光还用于燃料箱内的断流阀的焊接，采用激光焊接省略了连接法兰，实现了 小型化，并提高了装载性能。 图1 - 7 激光焊接在断流阀中的应用 激光焊接变形小，因此适用于易受变形影响的零件焊接，如汽车前灯( 材料为 p c ) 或后灯( 材料为p m m a ) 均适于激光焊接。图1 8 就是了2 0 0 3 年日本小系制 作所批量生产的雾灯。 8 江苏大学硕士学位论文 2 国内产业化状况 图1 8 用于雾灯焊接 国内上个世纪末已经出现将封离型c 0 2 激光器用于薄膜的高速封口和导线 的外层剥除，如图1 - 9 。激光的能量可以聚焦，所以它比常规的系统有更大的灵 活性。改变薄膜上的光斑的大小就可以形成不同尺寸的封口，而且激光封口速度 特别的快，一般可以达到约1 5 0 m m i n 。尽管薄膜的种类和厚度对封口的速度有较 大影响，但是相对于其他的封口技术来说，优势十分明显。 封闭式c 0 2 激光器一个很好的应用就是剥除导线外层。许多导线剥除要求 无划痕，尤其在军事和航空上要求更为严格，而其他机械剥除方式很容易损伤导 线，所以激光剥除导线也得到广泛的应用。 图1 - 9 塑料的切割与熔封( 激光封口的强度高于原材料) 1 2 3 国内外专利申请 1 国外专利申请 国外专利申请主要集中在新焊接工艺、新焊接设备两个方面，两个方面的专 9 江苏大学硕士 学位论文 利都很多，但是对新的焊接工艺专利的申请比较突起。 ( 1 ) 新的焊接工艺 在进行管件的焊接时，就必须有一个反射系统将激光束同时反射到焊接件的 焊接区域。2 0 0 4 年陈杰伟等人设计了一种用于激光氇料焊接的夹具，它是一种环 状的装置，而且表面可以反射激光束，刚好可以将激光束反射到焊接件的焊接区 域，如图1 1 0 。 图1 1 0 管件焊接夹具示意图3 5 3 使用激光进行密封焊接时，为了使材料受热均匀，2 0 0 4 年r i c h a r d 3 6 3 等 人提出一种新的焊接工艺，使用一个分光镜将激光束分成两束，然后经过镜片搭 建的光路使激光束达到待焊接材料的反面。光束能量的分配是跟焊接材料的厚度 成正比的。对焊接材料的正反两面同时进行加热可以避免对一面进行焊接时过热 所引起的问题，如图1 1 1 。 图1 - 1 l 新焊接i ：艺示意图 为了提商翅料件的焊接强度，2 0 0 3 年h e r m a n n 等人提出将塑料件做成各种形 状，然后再进行焊接，这样增大了焊接件的接触面积，提高了焊接强度，如图1 1 2 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 图1 - 1 2 新焊接 艺示意图3 7 1 吸收剂的选择对焊接质量有着很大的影响，所以吸收剂的选择就极其重要， 2 0 0 4 年s a i l a v a n t i 等人就提出了一套吸收剂的选择标准。第一步，通过计算淘汰 一批能够吸收和激光器有相同波长的吸收剂。该图还可以鉴别在可见光光谱内对 光的最低吸收量，并确定光的密度与和最低吸收量的关系。第二步，通过计算淘 汰批容易导致减少焊接件透明度的吸收剂。将这两步结合起来，就可以快速的、 容易的选出合适的吸收剂，如图1 1 3 。 图1 - 1 3 吸收剂筛选图3 耵 ( 2 ) 新焊接设备 2 0 0 4 年k e n d a l l 发明了主要用于塑料焊接或切割的机械，该设备特别适合焊 接或是切割高速移动的塑料材料。通过分光技术，该设备可以将原始光束分成几 束进行高速焊接或切割，该设备也很适合将塑料材料焊接或切割成网纹状，如图 1 1 4 。 1 1 江 苏大学硕士学位论文 图i 1 4 新焊接设备示意图3 9 1 2 。国内专利申请 就现有的资料来看，国内关于激光焊接的专利主要是关于新焊接设备和新 的焊接工艺。 ( 1 ) 新的焊接设备 2 0 0 4 年王又良等人公开了一种多维激光焊接塑料装置，它由以下几个部分 组成：激光焊接源、导轨、工作台、光纤角度控制台；该实用新型装置能满足光 纤轴始终垂直加工件表面，光纤输出激光透镜保证光束聚焦点在加工件表面，光 纤头可做6 维移动，光纤头光轴和z 轴在同一个平面上等的技术要求，如图 1 。1 5 。 图1 1 5多维激光焊接塑料装置示意图枷 江苏大学硕 士 学位论文 ( 2 ) 新的焊接工艺 为了得到精密度更高、不同图案的焊缝，2 0 0 0 年陈杰伟发明了掩膜焊接。光 束帘以一定的速度对掩膜进行持续的照射，掩膜只让一部分的激光穿过，达到预 先设置好的区域进行融化和密封。焊接方法如图1 1 6 。这种焊接方法对于焊接复杂 的微结构区域特别的适合，掩膜可以以微米级的精细度来勾画结构，所以掩膜焊 接法精确度极高，微焊接的宽度可达1 0 0 ，u m 。 图1 - 1 6 掩膜焊接示意图e 4 h 如图1 1 7 所示，在掩膜焊接基础上增加了一个旋转镜，利用镜片的匀速旋转 使激光帘在掩膜上匀速扫描。这一设计使得焊接更加均匀，焊接质量更高。 图1 1 7 增加旋转镜的掩膜焊接示意图 江 苏 大学硕士学位论丈 1 3 激光透射焊接塑料的研究意义 1 3 1 国内与国外研究差距巨大 从以上国内外对塑料的激光焊接的研究状况对比来看，无论是理论研究，产 业化状况还是号利申请方面，国内和国外的差距还是很大的，理论研究和产业化 方面的差距尤其明显。从现有的资料来看，国外的研究不仅深入，研究还很广泛， 涉及到焊接的工艺参数研究、微焊接、吸收剂研究和生产等等，研究的机构也不 仅仅局限于高校，企业对焊接设备进行了深入的研究，比如b i c l o m a t i k 公司、瑞士 的l c i s t e r 等等，但是国内对该课题的研究还基本上是空白，只有少量关于焊接参数 的研究，主要还都是集中在高校。这就提出了对该课题进行研究的要求，虽然我 们在短时间之内不可能达到国外的水平，但是通过对该课题研究不仅对完善的该 课题研究有着重要的意义，而且对实际生产也有很大的实用价值。 1 3 2 激光透射焊接塑料的独特性 除了在电子、包装等领域激光焊接技术有着广泛的应用外，在以下几个方面 也有着极好的应用前景，而且必须使用激光焊接技术： ( 1 ) 汽车车灯的三维焊接技术4 2 o 汽车车灯是光滑的三维曲面，车灯的焊 接不仅要有很高焊接质量，而且还要美观、精细。一般的塑料焊接方法如热气焊、 热板焊、摩擦焊、震动焊、超声波焊接只能进行二维平面的焊接，而且焊接粗糙， 无精细美观可言。但是通过机械手臂的三维作业，激光焊接技术不仅可以发挥其 易操作、精确焊接的特点，还能达到很高的焊接质量。 ( 2 ) 生物医学微芯片的生产。微生物芯片对于生物工程的研究必不可少的， 以前的芯片大都是硅或足玻璃材料作为材料，其最主要的局限性是成本高、产量 却低，在采用幔料材料之后，成本和产量问题都迎刃而解，但是如何加工这么微 小的材料又成了问题，激光微焊接技术提供了解决方案。激光微焊接技术易控制、 可加工微小零件的特点让该技术当仁不让的成为该领域的首选加工方法。 ( 3 ) m e m s 中微型机械的制造。微型机械的微细加工成为广义机械加工不 可逾越的障碍，但激光焊接技术可以将其特点发挥得淋漓尽致。 1 4 江苏大学硕 士 学位论文 1 3 3 激光透射焊接塑料发展前景广阔 激光塑料焊接的研究范畴属于激光对物质的作用，其研究的两个重要的主体 就是激光器和塑料。由于激光技术的发展，激光器的成本逐渐降低但应用领域却 逐渐扩大，激光器的性能越来越好。塑料作为一种重要的工业原料，在电气工业、 建筑、航天航空、汽车、医学、工业设备等行业应用越来越广泛。基于以上的条 件，所以激光焊接技术必将会有广阔的发展前景，随着技术的进步，激光焊接技 术的应用也必将越来越广泛。 1 4 本课题研究的主要内容 由前文国内外的研究状况对比可知，现在国内外关于激光塑料焊接的研究是 有很大的差距的。激光翅料焊接作为一种新型的焊接工艺，目前在国外已经广泛 的应用于诸如汽车、医药、电子等工业，激光塑料焊接以其特殊的焊接工艺、较 高的焊接质量、广泛的适用性应用范围越来越广，具有广阔的发展前景。但是现 在国内的研究还非常少，而且研究人员主要集中在高校，所以有待更多学者加入 到相关课题研究，而且要从激光焊接工艺方面寻求突破。本课题包括三个方面： ( 1 ) 对激光焊接塑料机理的研究，主要是建立塑料焊接数学热流模型，从数 学角度上对焊接过程进行理论分析，确定实验的影响因素，指导实验。 ( 2 ) 设计实验方案，主要包括选择激光器、焊接材料、焊接，手法、吸收剂、 设计夹具、用正交实验法设计焊接实验。影响激光迫料焊接因素众多，主要有输 出功率、激光束的光斑直径、焊接材料( 包括材料的种类、材料的厚度) 、焊接速 度( 即激光头或是材料的移动速度) 、吸收剂、焊接的道数、夹具的夹紧力。 在众多的影响因素中，输出功率、激光束的光斑直径、焊接速度最为重要，而且 这三个要素相互影响，相互制约。如果激光器的输出功率过高那么就要求焊接速 度也要相应的提高，否则很容易将焊接件烧坏或是使塑料降解。反之则形不成焊 接。 ( 3 ) 该课题的主要内容就是激光塑料焊接的试验，研究各种焊接因素对焊接 质量的影响。该课题的实验是焊接塑料板材，材料足h d p e 和p p ，厚度均为2 m m ， 实验主要内容如下： 江苏大学硕 士 学位论文 确定影响焊接质量的因素 用正交实验法确定实验内容，包括实验组数、各影响因素的实验参数 h d p e 扳材和p p 板材各做一组实验，每组2 5 次实验 对焊接件进行强度的测试，强度测试包括切片实验和拉伸强度测试 处理实验结果，分析影响因素对焊接质最和焊缝宽度的影响，确定该种材料的 最佳焊接参数 江苏大学硕士学位论文 第二章透射焊接过程的热流分析 影响激光塑料焊接的因素很多，在进行新材料的焊接时，如果有数学模型对 焊接过程进行引导的话，将达到事半功倍的效果。本章主要是建立白色h d p e 和 p p 样品t l i r 过程的热分布模型，根据该模型可以确定焊接过程的影响因素，如 激光功率、光斑直径、焊接速度等等。所以该模型对于焊接实验具有重要的指导 意义。 2 1 激光透射焊接原理 t i i r 焊接又名近红外透射焊接，其原理是红外激光束( 波长一般在8 0 0 1 0 6 0 r i m ) 通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，将激光器所产生的能量聚焦 在待焊接区域。两个待焊接件必须有一个对激光束是透明的，即激光光束穿透它 却没有能量的损失，另外一个是不透明的，即吸收激光辐射的能量。辐射穿透两 个待焊接部件的中透明的焊接件，另外不透明的那个部件在接触面上吸收激光辐 射形成热作用区，在热影响区中的塑料被融化，在随后的凝固过程中，已融化的 材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来。见图2 1 。 图2 - 1t t l r 塑料焊接示意图 2 2 激光透射焊接的优点 激光透射塑料焊接是目前最流行的操作模式，与表面加热相比，它有许多的 好处。例如，它是一种预装配方法，这就是说，部件被装配在机器里面，其位置 1 7 江苏大学硕 士 学位论文 和定位和最终的装配都足一样的。对于许多的应用而言，在焊接过程中能让子部 件装配在与最终产品相同的位置而不需要复杂的夹具，这是很重要的。 其他的优点还包括：焊接速度和灵活性。激光焊接的一般循环时间在1 5 秒之间。相比之下，热板焊接的循环时间足1 0 3 0 秒。 如果激光可以直接对结合面进行照射，那么这种焊接方法还可以焊接带有复 杂曲线，无支撑的内壁。在这种情形下，震动焊接就很难做到，但是震动焊接的 循环时问相对较短，一般少于1 0 秒。 t t i r 焊接最突出的优点可能就是它的焊接质量了。因为焊接是无创伤的， 所以焊接后的部件外形都很好。除此之外，焊接过程中没有震动和加热模板，只 有焊接区域被加热和融化。 2 3 透射焊接过程热流模型 研究激光塑料焊接的学者一般都认为焊接过程中激光辐射的能量全部被焊接 材料所吸收，但是工业上广泛应用的热塑性塑料，如h d p e l d p e , p p 对激光的 吸收率很低，一般都足低于2 0 ，透明的热塑性塑料材料对激光辐射能量吸收极 低，甚至是不吸收。 因为在焊接热塑性塑料的过程中涉及到热动态现象，所以就有必要在焊接过 程热转换的基础上建立一个热模型m 1 。在热传导理论中能最的守恒、产生及损失 都指的是热能，在塑料焊接过程中，如果温度实时变化，并且还有热源加热，那 么热平衡可以写成下式： n i 。+ n d m = n 。m + 毛 式中n ；。传到材料内部热量，n 。内部产生的热量，n 。传到材料外部的 热量，瓦内部热量的变化量 以下是热流模型中使用到的变量： 恒压下的热量c ，j k g 一1 k 一1 由p j 0 d t 得出，式百= v r + ：i c ，打给 出了热传导矢量生成率， k 砌一k z 足热传导率， ；足速度矢量。激光功率 p w 】、光斑直径引脚叫、焊接速度q 【m 埘s 】、焊接时间吐s 】、材料对激光的吸 江苏大学硕士学位论文 收率唧、材料的密度p k g m 。 。 根据以上的热平衡方程，热传导方程可以写成以下形式1 ： 害+ v r ( 每) ) n 刀+ 蚂( 警+ 两r ) = v k 订+ q ( ，) 由于质量守恒，式2 1 可以简化成： ( 2 - 1 ) p c ，( o 讲t - + 两r ) = v k v t + ， 2 ， 由于k = k ( t ) ，将热扩散率七 小2 s 。 定义为： 七：生 p c p ( 2 3 ) 由于p 、c p 、七= 丢 都是常量，所以方程2 2 变成： 塑+ 7 v r ：k v 2 r + 绁 a p cp (2-4) 如果焊接只按一个方向进行( 假如沿x x 方向) ，那么方程2 4 就变成： 弘r ( r ，伽珊2 眦，) h 知啪) ) + 去) 泣；， 式中a r ( r ，t ) 是温度的变化量( 相对于环境温度的变化量) ，r 代表x ，y ，z 坐标的 大小。由于材料吸收了激光辐射能而产生的热量可由下式给出： q ( r ) = a t l ( r ) e x p ( - a r z ) 前唧r榔1 式中，( r ) = e x p j - 2 + _ ) ，2 ) ( 墨) 2 2 ( 矿+ y 2 ) ( 乏) 2 e x p ( 一唧z ) ( 2 6 ) p w 】是激光的平均输出功率，d 【脚】是材料上的光 江 苏大学硕士学位论文 斑直径。 假如激光器以高于1 m 8 - 1 的速度焊接热塑性塑料，介质可以被认为是无穷半 空间，所以 2 k v ；的假设足合理的 4 5 1 。假如激光束沿z z 方向移动，那么用 于解方程2 5 的边界条件是： a t ( x ，y ，z ，t ) l o o = 0