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      熱塑性塑料激光穿透焊接技術(shù)的研究

      2013-09-10 04:09:18焦俊科江樺銳張文武
      電加工與模具 2013年6期
      關(guān)鍵詞:氣霧熱塑性熱應(yīng)力

      焦俊科,江樺銳,張文武

      (1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江寧波 315201;2.廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院,廣東廣州 511458)

      熱塑性塑料以其優(yōu)越的性能在汽車、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛使用。同時(shí),現(xiàn)代工業(yè)對(duì)塑料焊接的強(qiáng)度、精度、潔凈度、美觀度等都提出了更高的要求。近年來(lái),采用激光對(duì)熱塑料進(jìn)行焊接成為研究的熱點(diǎn),國(guó)外眾多學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)對(duì)塑料的激光焊接理論、焊接工藝、激光微焊接等方面進(jìn)行了深入廣泛的研究,為塑料激光焊接技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)推廣奠定了基礎(chǔ)。從21 世紀(jì)初開始,國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)對(duì)塑料激光焊接技術(shù)進(jìn)行了研究[1-7],主要集中在單一的焊接工藝或數(shù)值模擬上,無(wú)論是理論分析還是工藝研究等方面都與國(guó)外存在一定的差距。

      本文對(duì)PMMA 材料的激光焊接技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,在充分考慮穿透層與吸收層激光吸收的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型,利用ANSYS 對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析,從理論上找到了焊接參數(shù)對(duì)焊縫的影響規(guī)律。同時(shí)進(jìn)行了PMMA 焊接的實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)焊接時(shí)出現(xiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析,找到了最佳焊接工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了良好的焊接封裝。

      1 理論模型

      1.1 傳熱數(shù)學(xué)模型

      熱塑性塑料激光穿透焊接過(guò)程中,90 %以上的能量穿過(guò)穿透層被吸收層吸收。為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型,一般都是把激光熱源作為面熱源來(lái)處理[8-10],但這與實(shí)際情況有些出入。為了使數(shù)學(xué)模型更貼近實(shí)際,本文把穿透層內(nèi)的激光作為體熱源處理,而到達(dá)吸收層的激光作為面熱源來(lái)處理,在此基礎(chǔ)上,建立了熱塑性塑料激光穿透焊的數(shù)學(xué)模型:

      式中:ρ、c、k 分別為塑料的密度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù);q 為塑料內(nèi)體熱源的生熱率;T和t 分別為溫度和時(shí)間;R 為塑料表面對(duì)激光的反射率;α 為吸收系數(shù);P為激光功率;r 為光斑半徑;z0為塑料板厚度。

      其他表面滿足對(duì)流的邊界條件:

      式中:h 為表面熱對(duì)流系數(shù);T0為環(huán)境溫度,也是塑料的初始溫度;Tn為塑料表面的溫度。

      塑料激光穿透焊接的熱量分布及傳遞見(jiàn)圖1。在穿透層,一部分激光能量在塑料內(nèi)部傳輸過(guò)程中被吸收并轉(zhuǎn)換為熱量,以內(nèi)部生熱率的形式加載給塑料,該部分的激光能量符合Lambert 定律。在吸收層,穿過(guò)上層的激光被涂在吸收層表面的吸收劑完全吸收,轉(zhuǎn)化為熱量并以熱傳導(dǎo)的形式迅速向上下層塑料擴(kuò)散,使其熔化。

      圖1 熱塑性塑料激光穿透焊接示意圖

      1.2 熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型

      熱塑性塑料激光穿透焊接過(guò)程中,激光能量被吸收層吸收,產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式向吸收層和穿透層內(nèi)部傳輸。熱量傳遞過(guò)程中,材料內(nèi)部的溫度分布是不均勻的,由于各處的溫度不同,每一部分因受到不同溫度的相鄰部分的影響,不能自由伸縮,就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力方程為:

      式中:σi(i=x,y,z)為正應(yīng)力;γij為剪應(yīng)變;τij為剪應(yīng)力;Δt 為溫度改變量;β 為材料的膨脹系數(shù);E 為楊氏模量(拉壓彈性模量);υ 為泊松比;G 為剪切彈性模量。

      2 數(shù)值分析

      本文使用ANSYS 對(duì)PMMA 激光穿透焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。兩塊長(zhǎng)、寬、厚分別為40、20、3 mm 的PMMA 板搭接在一起進(jìn)行穿透焊接,有限元模型單元為8 節(jié)點(diǎn)6 自由度的三維實(shí)體單元solid70,單元大小為0.6 mm×0.6 mm。另外,計(jì)算中用到的PMMA 物理特性見(jiàn)表1。

      表1 PMMA 的物理特性參數(shù)

      焊接時(shí)選用的激光參數(shù)為:P=50 W,r=2 mm,v=10 mm/s。焊接過(guò)程中,一部分激光能量以體熱源生熱率的形式被穿透層吸收,形成一個(gè)沿深度方向分布的溫度場(chǎng),溫度最高達(dá)65 ℃左右。而在吸收層,穿過(guò)穿透層的激光在表面被完全吸收,產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量以熱傳導(dǎo)的形式向上下兩層塑料內(nèi)部傳遞,最終形成一個(gè)高斯分布的溫度場(chǎng)(圖2)。圖3 是焊接過(guò)程中的溫度和熱應(yīng)力分布云圖,在穿透層與吸收層的接觸面附近,最高溫度達(dá)到400 ℃,遠(yuǎn)高于PMMA 的熔化溫度,能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。

      圖2 焊接溫度場(chǎng)分布

      圖3 溫度及應(yīng)力分布

      在對(duì)亞克力板進(jìn)行激光穿透焊接過(guò)程中,會(huì)伴隨著熱應(yīng)力的產(chǎn)生,熱應(yīng)力的大小和分布同樣會(huì)影響焊接質(zhì)量。在吸收層表面上選取一點(diǎn)a,分析其溫度和熱應(yīng)力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。從圖4 可看出,該點(diǎn)的溫度和熱應(yīng)力變化大致經(jīng)過(guò)以下3 個(gè)過(guò)程:

      (1)激光來(lái)臨前,該點(diǎn)的溫度基本上處于常溫狀態(tài),拉應(yīng)力逐步增加。

      (2)激光到來(lái)后,由于高能量密度的激光作用,使該點(diǎn)的溫度急劇上升達(dá)到最高值400 ℃,材料在高溫下膨脹,產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。

      圖4 掃描路徑上a點(diǎn)溫度、熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

      (3)激光從該點(diǎn)移走后,熱量在熱傳導(dǎo)的作用下逐步向塑料內(nèi)部傳遞,溫度緩慢降低,直至焊接完成到常溫狀態(tài)。在這個(gè)冷卻過(guò)程中,壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。

      在焊接過(guò)程中,壓應(yīng)力一般不會(huì)對(duì)焊接效果產(chǎn)生影響,但拉應(yīng)力的存在可能導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。從圖4 可看出,拉應(yīng)力的最大值也只有0.0025 MPa,遠(yuǎn)小于亞克力板的破壞應(yīng)力。因此,在該組焊接參數(shù)下,熱應(yīng)力對(duì)焊接質(zhì)量的影響幾乎可忽略。

      焊接過(guò)程中,激光參數(shù)及焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響非常大。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的焊接情況仿真分析,得到以下影響規(guī)律:

      (1)焊縫寬度受光斑半徑和單位時(shí)間、單位面積吸收的激光能量的共同影響。在光斑半徑不變的情況下,單位時(shí)間、單位面積吸收的能量越高,焊縫寬度越大;在單位時(shí)間、單位面積吸收的能量不變的情況下,光斑半徑越大,焊縫寬度越大。

      (2)焊接深度只受單位時(shí)間、單位面積吸收的激光能量的影響。單位時(shí)間、單位面積吸收的激光能量越高,焊接深度越大,焊接強(qiáng)度也越大。

      3 實(shí)驗(yàn)分析

      PMMA 激光穿透焊接實(shí)驗(yàn)在光纖激光加工系統(tǒng)上進(jìn)行。系統(tǒng)由光纖激光器、六軸機(jī)器人、氣流系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)及自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成(圖5),能進(jìn)行多種金屬、非金屬材料的平面、三維切割和焊接。為方便實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)制作了塑料焊接二維工裝系統(tǒng),能對(duì)焊接時(shí)的夾具壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

      圖5 光纖激光加工系統(tǒng)及控制界面

      焊接時(shí),把待焊接的塑料工件放進(jìn)氣動(dòng)夾具裝置里,通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓來(lái)調(diào)節(jié)夾具的壓力,夾緊塑料焊件,而后啟動(dòng)光纖激光加工系統(tǒng)。激光焊接頭固定在機(jī)器手的末端,通過(guò)中央控制系統(tǒng)控制機(jī)器手按照既定路徑進(jìn)行焊接,焊接參數(shù)通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)置,并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)圖6。

      圖6 塑料焊接實(shí)驗(yàn)原理圖

      焊接過(guò)程中,較高的激光功率密度導(dǎo)致塑料熔化,會(huì)產(chǎn)生一些氣泡和煙霧,并沿著與焊接方向相反的熔化路徑排出,在焊縫上留下一條排氣通道(圖7a),一定程度上影響了焊接強(qiáng)度。排氣通道的大小與焊接時(shí)產(chǎn)生氣霧的多少有關(guān),激光能量密度越大,焊接時(shí)熔化產(chǎn)生的氣霧越多,排氣通道越大,對(duì)焊接質(zhì)量的影響也越大。因此,焊接時(shí)應(yīng)選擇合適的能量密度,在保證焊接深度的同時(shí),盡量減少產(chǎn)生的氣霧量。另外,如果焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣霧不能有效地排出,則在焊縫周邊會(huì)形成大量的氣泡(圖7b),同樣影響焊接強(qiáng)度。

      圖7 PMMA 激光穿透焊接

      通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)苷业胶附訁?shù)對(duì)焊接時(shí)氣霧量的影響規(guī)律。通常,在其他兩個(gè)參數(shù)不變的情況下,光斑半徑越小,焊縫材料的熔化深度和熔化量越大,氣霧量也越大;激光功率越大,熔化量越大,氣霧量也越大;焊接速度越慢,熔化量越大,氣霧量也越大。利用這個(gè)規(guī)律,針對(duì)3 mm 厚的PMMA 材料的焊接,找到了一組最佳焊接參數(shù):r=1.2 mm,P=30 W,v=10 mm/s,并進(jìn)行了PMMA 的封裝實(shí)驗(yàn)(圖8)。

      圖8 PMMA 封裝焊接樣品

      4 總結(jié)

      (1)對(duì)塑料穿透焊接的傳熱過(guò)程進(jìn)行了分析,在考慮穿透層的體熱源和吸收層的面熱源的情況下,建立了傳熱數(shù)學(xué)模型和有限元模型,利用有限元法對(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析,找到了焊接參數(shù)對(duì)焊縫的影響規(guī)律。

      (2)在多功能光纖激光加工平臺(tái)上進(jìn)行PMMA的激光穿透焊接實(shí)驗(yàn),研究分析了焊接過(guò)程中的物理現(xiàn)象,找到了焊接強(qiáng)度與焊縫材料的熔化量及氣霧量的大小的關(guān)系,以及熔化量、氣霧量與焊接參數(shù)之間的關(guān)系。

      (3)在理論計(jì)算的指導(dǎo)下,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,找到了焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的一般規(guī)律,并針對(duì)厚度為3 mm 的PMMA 材料,找到了最佳焊接參數(shù),實(shí)現(xiàn)了焊接封裝。

      [1]袁暉,賴建軍,何云貴.熱塑性塑料的激光焊接試驗(yàn)研究[J].光學(xué)與光電技術(shù),2005(1):18-21.

      [2]王又良,崔瑛,王健超,等.塑料的激光焊接工藝[J].應(yīng)用激光,2006(2):93-96.

      [3]王霄,張惠中,丁國(guó)民,等.吸收劑對(duì)激光塑料透射焊接質(zhì)量影響的研究[J].應(yīng)用激光,2007(4):314-317.

      [4]劉會(huì)霞,張惠中,丁國(guó)民,等.HDPE 激光透射焊接工藝的研究[J].材料工程,2008(11):13-18.

      [5]王健超,秦麗明,李姣.PMMA/ABS 熱塑性塑料激光透射焊接工藝研究及微觀分析 [J].應(yīng)用激光,2008(4):287-291.

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      [8]Potente H,Korte J,Becker F.Laser transmission welding of thermoplastics∶analysis of the heating phase[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites,1999,18(10):914-920.

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