Laser transmission welding of heterogeneous polymers assisted by infrared heating

近年来，热塑性塑料及其复合材料以强度高、质量轻、易成型、耐腐蚀等优点已开始取代金属材料，在医疗器械、包装、交通运输等行业得到了广泛应用^[1-2]。由于激光透射焊接具有较好的焊接质量、振动应力和热应力小、焊接速度快且容易控制、可非接触式焊接复杂零件等优点，成为聚合物焊接应用中很有前景的一种焊接技术^[3-5]。当前对同种聚合物激光透射焊接的研究比较深入，而异种聚合物的焊接研究缺乏系统性^[6]。KIM等人于2013年研究了激光透射焊接聚丙烯和聚碳酸酯，通过对聚丙烯进行化学改性，使原本不可焊的聚丙烯和聚碳酸酯能很好地焊接在一起^[7]。JIANG等人对改性聚丙烯与尼龙66进行了激光透射焊接研究。首先介绍了改性的制备方法和工艺，接着对改性聚丙烯的力学热学性能进行了研究^[8-9]。异种聚合物由于温度属性、相容性差异较大的问题，导致很难焊接在一起或者焊接强度不高。目前对异种聚合物焊接的研究主要是对聚合物进行物理或化学改性，改变聚合物相容性和温度属性，提高焊接强度^[10]，缺点是工艺比较复杂且成本较高。

本文中针对异种相容聚合物因温度属性差异大而导致焊接效果不佳的问题，提出了红外加热灯加热辅助激光透射焊接的新方法，研究了红外加热灯辅助加热方法的可行性以及焊接机理，并对工艺参量进行了优化。

红外加热灯加热辅助激光透射焊接聚合物是基于材料温度属性的差异提出的一种复合焊接方式，可以实现两种温度属性差异较大的聚合物在不同的温度下达到或接近各自的熔融温度，使上下层充分融合，提高焊接强度。

红外加热灯加热辅助激光透射焊接原理如图 1所示。使用椭球形的反射器将红外加热灯光源聚焦，光线与激光束形成一定的夹角透过K9玻璃聚焦在上层材料聚砜(polysulfone, PSU)的上表面，受热材料吸收部分红外光辐射能并受到对流传热、热传导和热辐射的综合作用后，以温度场的形式表现出来产生表面热能^[11]，使上层材料在焊缝处迅速升温。吸收外界的温度弥补两种材料温度属性的差异。

Figure 1.  Schematic diagram of laser transmission welding assisted by infrared heating lamp

实验中使用的红外加热灯是由抛物面反射罩和红外灯泡组成，灯的焦距是50mm，焦点的最小光斑直径为20mm，使用0-24V20A480W开关电源对红外加热灯的电压进行无级调节。采用固定热源移动夹具平台的方式进行扫描焊接，将红外加热灯固定于焊接件斜上方50mm处，调整加热灯的角度使加热灯最小光斑直径在焊缝处。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene, ABS)树脂和聚砜(PSU)都是非结晶型聚合物。实验中对试样采用搭接焊的方式焊接，选取上层材料为茶色透明的PSU，下层材料为米黄色ABS，焊接试样如图 2所示。实验中所使用的材料都使用无水乙醇进行表面擦拭，放入超声波清洗机清洗，然后放入防潮柜内静置12h。

Figure 2.  Sample size for laser transmission welding

利用Cary 5000紫外-可见-近红外分光光度计对材料进行透射率和反射率的测量。材料在不同波长下的透射率和反射率变化曲线如图 3所示。本文中所使用激光器的激光波长为980nm，由结果可知，PSU对该波长光线的透射率为87.62%，反射率为3.39%，ABS对该波长光线的透射率为49.19%，反射率为34.23%。因此，高透射率的PSU可以作为上层透射层材料，使更多的激光光束能穿透上层材料到达中间层。下层ABS材料涂抹clearweld吸收剂，吸收更多的激光能量产生表面热能完成熔融焊接。

Figure 3.  Optical performance test

利用综合热分析仪对ABS和PSU进行差示扫描量热分析和热重分析实验，通过差示扫描量热分析分别检测ABS和PSU材料的玻璃化转变温度，通过热重分析分别检测ABS和PSU材料的热分解温度，如图 4所示。

Figure 4.  of thermal analysis experiment

得到两种材料的玻璃化转变温度T_g、熔融温度T_m和热分解温度T_d，材料的温度属性如表 1所示。

由实验结果可知，两种材料的玻璃化转变温度和熔融温度间的差距相对较大，共同的熔融温度范围为290℃~302.16℃，两种材料可以在同一温度范围内进行融合作用。但是共同的熔融温度范围较小，焊接难度较大。异种聚合物之间较大的温度属性差异容易产生焊接缺陷和熔融不充分的现象，影响上下层材料相互间的分子链扩散和缠结作用，因此会造成焊接强度低和焊接失效^[12]。

实验中所选材料为ABS和PSU，PSU为上层透射材料。实验中使用粘贴式PT100铂电阻贴片温度传感器和PT100智能温控仪测试扫描过程中的温度变化，分别测试上层材料的上表面温度和下表面温度，如图 5所示。取每次扫描温度的最大值，如表 2所示。

Figure 5.  Heat absorption experiment diagram of upper material

由实验结果可知，上层材料的上下表面温度差平均在20℃左右，直接扩大了激光温度的可变范围，间接扩大了两种材料在符合焊接条件下的共同熔融温度范围。有利于两种材料在同一激光能量下得到充分熔融形成高强度焊缝。同时，实验结果也验证了红外加热灯在激光透射焊接实验中是可行的。

为了研究红外加热灯在激光透射焊接过程中的实际作用，分别对同一组材料进行两组实验，一组使用红外加热灯加热辅助焊接，一组直接激光透射焊接，焊接样件如图 6所示。

Figure 6.  Welding sample

表 3为红外加热灯使用前后激光透射焊接实验的对比结果。实验中，工作台的移动速率为6mm/s，焊接件的受压强度为0.45MPa，选用的激光功率为6W，8W，10W，12W和14W，在下层材料ABS的上表面涂抹clearweld吸收剂。每组激光功率选择3组样品，每组样品分别进行红外加热灯辅助焊接和直接激光透射焊接的实验，最后取3次实验结果的平均值。

从实验结果来看，在直接激光透射焊接的情况下，激光功率从6W增加到14W，剪切力一直在增大。在使用红外加热灯进行辅助加热的情况下，实验结果分为以下3个阶段。

第一阶段，激光功率从6W增加到10W，剪切力一直在增大并且在相同的激光功率下，剪切力是直接透射焊接时的1.5倍左右，这表明红外加热灯提供的辐射能使原本不能充分熔融的上层PSU材料更加接近它的熔融温度，提高了PSU的熔融程度，使熔池中分子链的无规则运动更加剧烈，加快了分子向相邻界面扩散的速度，增强了缠结作用^[6]，使两种材料的熔融结合程度更高，焊接强度得到提高。

第二阶段，激光功率从10W继续增大到12W，随着激光能量输入密度的增大，剪切力变小，但仍然比直接透射焊接情况下的剪切力大很多。在激光功率从10W增加到12W的过程中，一方面加热灯对上层材料的辅助加热促使上层材料的熔融程度进一步提高，有利于焊接强度的提升；另一方面，加热灯产生的部分热能会传递到下层材料，在与激光辐射能的共同作用下使下层ABS材料达到热分解温度，导致ABS材料产生轻微热分解。由于部分ABS热分解对焊接强度的影响没有PSU材料充分熔融对焊接强度的影响大，所以从10W~12W的剪切力还是比直接透射焊接的情况下剪切力大，但比10W时的剪切力小。

第三阶段，从12W增加到14W，剪切力不仅比12W时小，还比直接透射焊接时剪切力小。这是由于在红外加热灯的作用下，下层的ABS材料产生严重热分解。虽然辅助加热使上层材料PSU可以充分熔融，但下层材料严重的热分解已经影响到了上下层材料间的充分熔融，使分子间的结合力下降，所以会出现使用加热灯情况下的剪切力反而比直接透射焊接时的剪切力还要小的现象。

采用三因素五水平的中心复合设计法进行实验设计，在激光功率6W~14W、扫描速率3mm/s~7mm/s、加热灯电压11V~19V的实验相关工艺参量范围内，利用响应面法建立主要工艺参量与拉伸剪切力的数学分析模型对工艺参量进行优化。

焊接工艺参量与焊接剪切力之间的2阶多项式表达式为:

式中, σ表示拉伸剪切力(N)，A表示激光功率(W)，B表示扫描速率(mm/s)，C表示加热灯电压(V)。基于二阶多项式数学模型，在满意度数学函数优化准则下进一步对焊接工艺参量进行优化，在根据优化标准优化出的结果中挑选最优工艺参量组合。结果显示，使用红外加热灯加热辅助激光透射焊接的最大剪切力在600N左右，焊缝宽度在2.09mm左右，最大焊接强度在11.48MPa左右；与此相对应的最佳工艺参量组合是：激光功率在9.9W左右，扫描速率在5.24mm/s左右，加热灯电压在14.8V左右。

图 7显示了当加热灯电压为15V时，激光功率和焊接扫描速率对焊接强度交互式影响的3维曲面图和等高线图。从图 7可以看出，当焊接扫描速率减小、激光功率增大时，焊接强度先增大后减小。

Figure 7.  Effect of laser power and scanning velocity on weld strength under 15V lamp voltage

图 8显示了当扫描速率为5mm/s时，激光功率和红外加热灯电压对焊接强度的交互式影响。由图 8可知，在加热灯电压一定的情况下，激光功率过大或过小时焊接强度都会呈现下降趋势，这是由于激光功率较大时，焊缝处温度过高，出现热降解现象，降低了焊接强度。

Figure 8.  Effect of laser power and lamp voltage on weld strength under scanning speed of 5mm/min

选取实验过程中的工艺参量:光斑直径为0.802mm，扫描速率为6mm/s，红外加热灯的电压为15V，夹紧力0.45MPa，变换激光功率为6W, 10W, 14W, 制作焊接拉伸试样。

图 9表明，当激光功率为6W、激光能量输入密度较小时，材料表面吸收激光能量较低，上下层分子间的无规则运动不够剧烈使得分子链扩散和缠结作用较弱，上下层材料之间主要是机械咬合，在剪切力的作用下导致裂纹快速扩展造成脆性断裂，同时会拖拽出如图 9a所示的波纹状撕裂纹。

Figure 9.  morphology at laser power of 6W

当使用加热灯后，ABS材料在焊接过程中额外吸收加热灯产生的部分热能，与激光辐射能共同作用，使分子间的结合力增强。材料表面会形成许多小凹坑或空洞，这是由于聚合物在焊接过程中会产生气泡，熔融的聚合物在气泡的高压下，流进另一种材料表面凹坑或孔洞，形成机械式的铆接，一定程度上提高焊接强度^[13]，如图 9b所示。上层PSU材料在使用加热灯加热后表面形成的凹坑和孔洞都比直接透射焊接时更大，这是由于吸收加热灯的额外热能后，上层PSU材料熔融相对更加充分，分子间的作用力和机械式的铆接都得到提高，如图 9c和图 9d所示。

图 10表明，当激光功率为10W时，由于大量的热能导致了接触界面上的部分材料发生轻微热分解形成气泡，气泡中的气体主要是由材料热分解产生的碳氢化合物、CO₂、CO和水蒸气^[8]，使用红外加热灯加热的ABS出现的气孔在数量上比直接透射焊接的ABS多，在面积上也更大一些，如图 10a和图 10b所示；焊接件在焊接过程中会产生大量的热，焊接完后的焊缝以及整个焊接件在冷却过程中容易产生热应力，这些不平衡的应力场诱导了裂纹的扩展，使焊缝最终断裂，如图 10c所示。加热灯和激光器产生的复合光源可以减少焊接件产生的热应力，防止焊接件变形，提高焊接质量^[14]，因此焊缝边缘的不平衡应力场较少，拉伸试验后剥离现象不明显，如图 10d所示。

Figure 10.  Fracture morphology at laser power of 10W

图 11表明，当激光功率为14W时，由于加热灯的热能和激光能量共同作用，使ABS材料和PSU材料都发生严重烧蚀和热分解，产生大量大面积的气泡，大尺寸的气泡产生无效焊接，减小了材料之间的实际焊接面积，因此焊接强度减小。

Figure 11.  Fracture morphology at laser power of 14W

选取激光功率为8W, 12W, 14W，焊接扫描速率为6mm/s，红外加热灯电压15V的参量进行红外灯加热辅助激光透射焊接, 然后进行拉伸测试，在超景深显微镜下观测焊缝处的气泡。图 12a显示的是激光功率为8W时的微观图。可以看出，此时的焊缝处出现大量密集的小凹坑，这些凹坑其实是焊缝处产生的高压气泡将材料压进另一种材料表面形成的孔洞，在冷却之后实现机械上的微铆接，能有效提高焊接强度^[15]。LIU等人^[9]也发现气泡的出现对焊接强度的提升有一定程度的帮助。图 12b显示的是激光功率为12W时的微观图，可以看出，随着激光功率的增大，此时的气泡面积明显比8W时的气泡大，这可能是激光功率的增大导致了材料产生了部分热分解，热分解产生的气体变多导致气泡变大。ARAI等人^[16]也发现，在环烯烃聚合物(cyclo olefin polymer, COP)和SU304的焊接中，随着激光功率的增大，导致COP热分解产生气体使气泡尺寸变大。图 12c显示的是激光功率为14W时的微观图，在100倍的放大倍数下，气泡图上尺寸和12W放大700倍时图上尺寸相差无几，说明此时气泡尺寸是12W时的7倍之多。这是由于此时的激光功率已经使下层ABS材料发生了严重的热分解，产生大量高温高压气体，形成比较大面积的气泡，气泡处产生无效焊接，而此时的焊缝处实际有效焊接面积相对减小，导致了14W时焊接强度不升反降的现象。

Figure 12.  Micro morphology of ABS weld area under different laser powers

(1) 上层材料的上下表面具有的温度差显示了上层材料可以吸收红外加热灯辐射的部分热能:一方面加快了分子向相邻界面扩散的速度，增强了缠结作用；另一方面在一定程度上可以弥补两种材料的温度属性差异，直接地扩大了激光温度的可变范围，间接地扩大两种材料在复合焊接条件下的共同熔融温度范围，有利于两种材料实现充分熔融。实验结果验证了红外加热灯在激光透射焊接实验中的可行性。

(2)使用响应面法建立工艺参量与拉伸剪切力的数学模型进行优化，获得的最佳工艺参量组合为：激光功率9.9W，扫描速率5.24mm/s，红外加热灯电压14.8V，所能获得的最大焊接强度为11.48MPa。

(3) 在最优参量组合下，使用红外加热灯辅焊接时的剪切力是激光直接焊接时剪切力的1.5倍左右，有效地提高了焊接强度和焊接质量。

(4) 激光功率越大，焊缝处气泡的尺寸越大，细小致密的气泡有助于机械铆接，提高焊接强度，大量大面积的气泡减小了焊缝实际面积，降低焊接强度。