高分子材料環(huán)形焊縫超高速同步焊接探討
高分子材料的激光透射焊接原理，即在一定壓力條件下，使透射激光高分子材料和吸收激光高分子材料形成搭接接頭，下面是小編搜集整理的一篇探究高分子材料環(huán)形焊縫超高速同步焊接的論文范文，歡迎閱讀查看。
1、引言
高分子材料是金屬和玻璃的良好替代品，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用日趨廣泛。如汽車業(yè)、電子產(chǎn)品、包裝業(yè)及醫(yī)療器械等諸多產(chǎn)業(yè)中都離不開各種工程高分子材料[1].由于采用激光透射焊接技術(shù)對(duì)熱塑性高分子材料進(jìn)行焊接具有許多優(yōu)點(diǎn)[2-6],如表面成型質(zhì)量好，能形成精密、牢固和密封的焊縫，樹脂降解少，產(chǎn)生的碎屑少，不會(huì)產(chǎn)生污染等，近年來，得到迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。國(guó)外已經(jīng)開始將塑料激光焊接應(yīng)用于汽車、電子和醫(yī)療等行業(yè)，如日本豐田公司現(xiàn)已采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人組合的光纖激光器進(jìn)行批量生產(chǎn)PA6高分子材料進(jìn)氣歧管，取代了以往的螺栓連接方式，減小了進(jìn)氣歧管的體積和重量，提高了其生產(chǎn)效率;奔馳公司將激光焊接應(yīng)用于制造汽車的電子開門器，提高了外形和焊接接頭質(zhì)量及生產(chǎn)效率。
傳統(tǒng)焊接方法中，采用激光頭旋轉(zhuǎn)或工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的方式，對(duì)環(huán)形焊縫沿周線旋轉(zhuǎn)焊接。而關(guān)于環(huán)形焊縫的激光同步焊接方法，國(guó)內(nèi)外還沒有相關(guān)報(bào)導(dǎo)。總之，目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，研究結(jié)果表明，激光的光強(qiáng)分布[7-10]、焊接速度[11-12]、透光焊接件的光學(xué)性能[13]及吸光劑[14]是影響結(jié)合質(zhì)量的主要因素。本文利用光纖激光研究了環(huán)形激光束的形成原理，設(shè)計(jì)出能產(chǎn)生環(huán)形激光束的激光焊接頭，研究了不同激光功率和輻照時(shí)間對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響，確定了TPV-彈性體和PP-聚丙烯的最佳工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高分子材料環(huán)形焊縫超高速同步焊接，提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。
2、試驗(yàn)材料及方法
2.1試驗(yàn)材料及設(shè)備
內(nèi)部(黃色)高分子材料(TPV-彈性體)為透射激光高分子材料，其外緣厚度為2mm,內(nèi)緣厚度為3mm.
外部(黑色)高分子材料(PP-聚丙烯)為吸收激光高分子材料，其外緣厚度為3mm及內(nèi)緣厚度為1mm.其搭接部分厚度為(2+1)mm.
環(huán)形激光束試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該試驗(yàn)系統(tǒng)由光纖激光器(2.0kW)、環(huán)形激光焊接頭、水冷機(jī)、光束測(cè)量?jī)x及焊接工裝夾具等組成。工裝夾具部分由工作臺(tái)、熱塑性激光吸收材料、熱塑性激光透射材料、高強(qiáng)螺栓和墊圈及激光透射壓板組成。用光束測(cè)量?jī)x測(cè)量了環(huán)形激光束的輪廓，并由JIS標(biāo)準(zhǔn)確定了激光束直徑，即光束強(qiáng)度為最大光束強(qiáng)度的1/e2時(shí)對(duì)應(yīng)的直徑被定義為光束直徑。
2.2環(huán)形激光束形成原理
環(huán)形激光束的形成原理如圖2所示。該原理圖包括一枚準(zhǔn)直鏡，第一枚圓錐透鏡、第二枚圓錐透鏡，第一枚和第二枚圓錐透鏡的頂角均為110°，直徑均為50mm.各符號(hào)的含義：f為準(zhǔn)直鏡的焦距(分別為f=60mm和f=80mm)、NA為激光束的數(shù)值孔徑(0.11rad)，D為通過準(zhǔn)直鏡激光束的直徑，2R為通過第二枚圓錐透鏡激光束的外徑，2r為通過第二枚圓錐透鏡激光束的內(nèi)徑，H1和H2為第一枚和第二枚圓錐透鏡的厚度(均為21mm)，L12為第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間的距離，θ1為準(zhǔn)直后的激光束經(jīng)過第一枚圓錐透鏡的入射角，θ2為經(jīng)過第一枚圓錐透鏡后的折射角，光學(xué)鏡片折射率均為1.46,空氣的折射率為1.00.
光纖輸出端發(fā)出的激光束照射到準(zhǔn)直鏡，激光束到準(zhǔn)直鏡的距離為準(zhǔn)直鏡的焦距，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后，激光束變?yōu)槠叫泄馐�，其直徑為D;由于第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡的頂角均為110o,所以穿過準(zhǔn)直透鏡后的平行光束照射到第一枚圓錐透鏡上，然后折射到第二枚圓錐透鏡上，穿過第二枚圓錐透鏡后，將形成外徑為2R和內(nèi)徑為2r的環(huán)形激光束，環(huán)形激光束的光環(huán)寬度為R-r.由原理圖進(jìn)一步可知，隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加，激光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡入射到第一枚圓錐透鏡的直徑D增加，經(jīng)過兩枚頂角相對(duì)的圓錐透鏡折射后，導(dǎo)致環(huán)形激光束的'內(nèi)徑減小，而外徑不變，從而使環(huán)形激光束的光環(huán)寬度增加;隨著第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間距離L12增加，環(huán)形激光束的外徑和內(nèi)徑同時(shí)增加，而環(huán)形激光束的光環(huán)寬度幾乎不變。另外，由原理圖可知，準(zhǔn)直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性，將直接影響到環(huán)形激光束強(qiáng)度分布的均勻性。
3、試驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1環(huán)形激光束的特性
當(dāng)準(zhǔn)直鏡的焦距f及第一枚圓錐透鏡與第二枚圓錐透鏡之間的距離L12變化時(shí)，環(huán)形激光束的分析結(jié)果如表1、圖3及圖4所示。分析過程中，激光輸出功率(300W)恒定不變。
光的折射定律如下式所示：
然后，根據(jù)正弦定理計(jì)算得出不同f及L12下的環(huán)形激光束尺寸。
由表1和圖3的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值研究分析結(jié)果表明，隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加，激光束的外徑幾乎沒有變化，而內(nèi)徑減小，所以隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加激光束的光環(huán)寬度也增加。由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值基本吻合。
由表1和圖4的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值研究分析結(jié)果表明，隨著間距L12的增加，環(huán)形激光束的內(nèi)徑和外徑同時(shí)增加，而環(huán)形激光束的光環(huán)寬度幾乎不變。由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值基本吻合。
3.2環(huán)形激光束的強(qiáng)度分布
通過上述的分析可知，環(huán)形激光束的強(qiáng)度(能量密度)分布不均勻。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于準(zhǔn)直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性較差的緣故。通過上述三枚光學(xué)鏡片的同軸性調(diào)節(jié)，可獲得能量密度分布均勻的環(huán)形激光束，其結(jié)果如圖5所示。
3.3高分子材料的超高速激光焊接
高分子材料的激光透射焊接原理，即在一定壓力條件下，使透射激光高分子材料和吸收激光高分子材料形成搭接接頭。激光束穿過透射激光高分子材料照射到吸收激光高分子材料被加熱而熔化，同時(shí)由于熱傳導(dǎo)使與之相接觸的透射激光熔化，并且隨著照射時(shí)間的增加，熔化區(qū)逐漸增大，當(dāng)達(dá)到所需的熔核尺寸時(shí)，停止激光束的照射，在壓力的繼續(xù)維持下，在高分子材料的搭接接頭的結(jié)合面形成了永久性連接。由于焊縫在搭接接頭的結(jié)合面形成，所以高分子材料的激光焊接表面質(zhì)量非常好。
將TPV-彈性體和PP-聚丙烯按照如圖6所示的方式，形成搭接接頭。焊接壓力的施加是通過中間有圓孔(直徑為6mm)的透明有機(jī)透玻璃板(70mm×70mm×4mm)實(shí)現(xiàn)。圖6中兩條圓線圍成的區(qū)域?yàn)榇附訁^(qū)域。
當(dāng)焊接壓力為100N、準(zhǔn)直鏡焦距為60mm、環(huán)形激光束的外徑為54mm、環(huán)形激光束的內(nèi)徑為47mm時(shí)，激光輸出功率和照射時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量影響的橫斷面金相照片如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)熱輸入量過低(激光輸出功率400W及激光照射時(shí)間0.4s)時(shí)，由于熱輸入量不足，使得PP-聚丙烯沒有充分熔化，熱量不能充分傳遞給TPV-彈性體，兩種材料只是通過范德華分子間力結(jié)合在一起，所以環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭結(jié)合面積小并且結(jié)合不良，如圖7(a)所示;當(dāng)熱輸入量過高(激光輸出功率1200W及激光照射時(shí)間0.4s)時(shí)，在照片中可以看到黑色孔洞，這是由于熱輸入量過高，導(dǎo)致環(huán)形焊縫搭接接頭的高分子材料發(fā)生裂解，產(chǎn)生氣體造成的，如圖7(c)所示;當(dāng)熱輸入量適當(dāng)(激光輸出功率800W及激光照射時(shí)間0.4s)時(shí)，環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭結(jié)合良好，沒有焊接缺陷存在，如圖7(b)所示。
當(dāng)焊接壓力為100N;激光輸出功率為400~1400W,激光照射時(shí)間為0.08~0.6s;準(zhǔn)直鏡焦距為60mm、環(huán)形激光束的外徑為54mm、內(nèi)徑為47mm時(shí)，對(duì)TPV-彈性體和PP-聚丙烯進(jìn)行多組激光焊接試驗(yàn)，并將不同焊接工藝下的試驗(yàn)樣件沿垂直于環(huán)形焊縫方向切割成10mm×30mm小塊，進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)。激光輸出功率和照射時(shí)間對(duì)環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度如圖8所示。由圖可知，當(dāng)激光輸出功率為800W,激光照射時(shí)間為0.6s時(shí)，其拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值(斷裂位置位于TPV-彈性體的母材上，2.4MPa);當(dāng)激光輸出功率為1000W,激光照射時(shí)間為0.08s時(shí)，其拉伸剪切強(qiáng)度較小(1.0MPa)，斷裂位置位于搭接接頭的結(jié)合面上。
在最大拉伸剪切強(qiáng)度時(shí)環(huán)形焊縫高分子材料搭接接頭的橫斷面如圖9所示。由圖可知，兩種高分子材料很好地熔合在一起，熔合線處產(chǎn)生了高低不平的現(xiàn)象。這也是由于兩種高分子材料在適合溫度下被激勵(lì)，在焊接壓力的作用下，導(dǎo)致兩種高分子材料分子發(fā)生相互擴(kuò)散，形成了化學(xué)鍵，緊密接合在一起。
4、結(jié)論
1)利用光纖激光和光學(xué)整形系統(tǒng)，形成了環(huán)形激光束。隨著準(zhǔn)直鏡焦距的增加，環(huán)形激光束的外徑不變，而內(nèi)徑減小，從而使環(huán)形激光束的光環(huán)寬度增加;隨著第一枚圓錐透鏡和第二枚圓錐透鏡之間距離L12增加，環(huán)形激光束的外徑和內(nèi)徑同時(shí)增加，而環(huán)形激光束的光環(huán)寬度幾乎不變。另外，通過準(zhǔn)直鏡、第一枚圓錐透鏡及第二枚圓錐透鏡的同軸性調(diào)節(jié)，可改善環(huán)形激光束強(qiáng)度分布的不均勻性。
2)當(dāng)焊接壓力為100N,準(zhǔn)直鏡焦距為60mm、環(huán)形激光束的外徑為54mm及環(huán)形激光束的內(nèi)徑為47mm,激光輸出功率為800W,激光照射時(shí)間為0.6s時(shí)，對(duì)厚度為1~2mm的高分子材料(TPV-彈性體+PP-聚丙烯)環(huán)形焊縫搭接接頭進(jìn)行了超高速同步焊接，其搭接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)2.4MPa,且拉伸剪切斷口位于TPV-彈性體的母材上。
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