Influence of laser process parameters on PC/Cu/PC welding performance and residual stress
-
摘要: 实现聚碳酸酯(PC)材料高品质焊接是拓展其工程应用的重要方向. 焊接件残余应力聚集的位置易产生变形、裂纹等缺陷，使用过程中进而会形成应力腐蚀，导致强度降低，缩短焊接件的使用寿命. 为了实现PC材料的高质量焊接，提出了以表面涂有碳黑的铜膜为激光吸收材料的透射焊接新方法，并探究了不同激光工艺参数(激光功率和焊接速度)对焊接性能、铜膜变形量及残余应力的影响规律. 结果表明，随着激光功率和焊接速度的增大，焊缝抗剪强度和铜膜变形量均先增大后减小；焊缝宽度与激光功率成正比，与焊接速度成反比；残余应力与激光功率成正比，与焊接速度成反比；且发现铜膜变形在一定程度上有利于提高焊接性能和减小残余应力.Abstract: Achieving high-quality welding of polycarbonate (PC) materials is an important direction for expanding its engineering applications. The location where the residual stress of the welded parts accumulates is prone to deformation, cracks and other defects. During use, stress corrosion will be formed, which will reduce the strength and shorten the service life of the welded parts. In order to achieve high-quality welding of PC materials, a new method of transmission welding using a copper film coated with carbon black as the laser absorbing material was proposed, and the influence of different laser process parameters (laser power and welding speed) on welding performance, copper film deformation and residual stress was explored. The results show that: with the increase of laser power and welding speed, the shear strength of weld and copper film deformation first increase and then decrease; the width of the weld is proportional to the laser power Proportional and inversely proportional to the welding speed; the residual stress is proportional to the laser power and inversely proportional to the welding speed; and it is found that the deformation of the copper film is beneficial to improve the welding performance and reduce the residual stress to a certain extent.
-
Keywords:
- laser transmission welding /
- copper film /
- welding performance /
- residual stress
-
0. 序言
传统的聚合物连接方法有：粘接[1]，机械连接[2]，搅拌摩擦焊接[3]，微波焊接[4]，热板焊接[5]等. 这些方法各有不足之处，对于粘接来说，在加工过程中会引入第三种材料(胶粘剂)，因此需要考虑胶粘剂的安全性和性能，且胶粘剂的热膨胀系数对残余应力有影响，过高的热膨胀系数会导致残余应力过大；对机械连接来说，当需要密闭容器时，很少使用机械紧固，并且由于连接孔的存在，在削弱结构机械强度的同时，结构在循环外载作用下极易产生应力集中；搅拌摩擦焊接需要用到搅拌头，搅拌头与工件之间的摩擦热传导具有不均匀性，金属夹具与焊缝之间的温度梯度会产生残余应力；微波焊接时，较高的功率会导致焊接面出现温度显著升高的“热失控”现象，进而产生残余应力；热板焊接需要提供热量和压力，过小的压力使得焊接件与热板之间的不能完全接触和均匀受热，进而产生较大残余应力. 因此，传统的聚合物连接方法存在连接质量差、连接效率低等缺点[6].与这几种传统连接方式相比，激光透射焊接具有连接质量高，过程无污染，无振动、接触或微粒，热影响区小等明显优势[7]，广泛应用于汽车制造、生物医学、电子、包装等各个领域[8-11]. 聚碳酸酯(PC)因其优异的透明性能和良好的抗冲击性能，被广泛应用于工程领域的结构构件，从飞机和车辆的挡风玻璃、头盔、防弹衣到银行的防弹玻璃. 金属吸收剂具有良好的物理和化学稳定性，在接头内不会产生杂质. 此外，金属在短波长(例如808 nm)下比聚合物具有更高的光吸收，是一种潜在的吸收剂[12].
国内外学者对激光透射焊接工艺参数对焊接性能的影响进行了研究. 2014年，江苏大学的Liu等人[13]建立了一个计算热塑性塑料LTW焊缝横截面熔化面积的解析数学模型，该模型综合考虑了焊缝的宽度和深度，研究了工艺参数(包括激光功率和焊接速度)对熔池的影响. 2014年，Wang等人[14]采用有限元法、响应曲面法及试验方法，系统地研究了LTW工艺参数、熔池几何形状(宽度和深度)和抗剪强度之间的关系. 2015年，印度比拉理工学院的Acherjee等人[15]以聚碳酸酯与ABS的激光透射焊接为研究对象，研究了激光功率、焊接速度、焦距和夹持压力对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响.
激光透射焊接件接头处不可避免会产生残余应力，残余应力的存在不利于焊缝抗剪强度. Zhu等人[16]使用了钻孔法，确定了一套计算高强度钢细孔深度增量释放应力场的新标定系数，在已知的单轴载荷下对铝板进行了新的校准系数的试验验证，基于试验得到的纵向残余应力和横向残余应力之间的统计关系，在补偿残余应力分量后，估计约束钢轨的热应力水平. 比利时根特大学的Puymbroeck等人[17]使用增量钻孔法确定了正交异性钢桥面板焊接构件的残余应力并进行了有限元仿真，试验结果确定了塑性对均匀深部残余应力的影响.
目前针对激光透射焊接聚合物的研究大部分集中在激光加工条件对产品的力学性能、失效机理和微观结构的影响[18-19]，而对聚合物焊接中残余应力的影响研究较少. 不同工艺参数对于焊缝内部的温度场的控制以及之后焊接质量的调控都具有重要作用. 焊缝抗剪强度是反映焊接性能的力学参数，构件的焊缝抗剪强度与焊接区的残余应力有相关性. 为了更好地研究焊接工艺参数对焊接性能的影响，通过单因素试验，研究了不同工艺参数(激光功率、焊接速度)对焊缝抗剪强度、焊缝宽度、铜膜变形量、焊缝形貌及残余应力的影响. 此研究对于拓展激光透射焊接技术的应用领域，促进金属吸收层激光透射焊接技术的发展具有重要意义.
1. 试验材料及方法
以美国GE公司生产的型号PC0307r聚碳酸酯为研究对象，尺寸为120 mm × 30 mm × 2 mm. 试验采用的吸收剂为宽度为2 mm、厚度为0.02 mm的T2紫铜膜，铜膜上表面涂有碳黑.试验使用深圳大族激光有限公司制造的WFD120型半导体激光器，激光波长为980 nm ± 10 nm，功率范围为20 ~ 120 W，采用自制的气动夹具控制夹紧力. 焊接试验完成后，通过WDW-200E型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，拉断后的试件通过光学显微镜测定焊缝宽度，并通过卡尔蔡司公司生产的型号EVO18扫描电镜(SEM)观察焊缝及横截面微观形貌.
采用丹陌电子科技的DM-YB1820动静态应变仪测试系统测量焊接完成试件放置3天后的残余应力. 其采样频率：10 kHz/通道，分辨率：1 με，测量应变范围：± 19 999 με. 在焊缝中心位置使用H610双组份环氧胶应变片贴片胶水粘贴应变花和接线端子，胶水干后在端子处焊接接线，如图1所示为应变片粘贴的示意图与实物图. 放置两天待应变片稳定后，利用小孔法对塑料焊接件的焊缝中心位置残余应力进行测量.
![]()
图 1 应变片粘贴的示意图与实物图Figure 1. Schematic diagram and physical image of strain gage pasting. (a) schematic diagram; (b) physical diagram试验采用搭接焊，其搭接部位的尺寸为40 mm. 在两块透明PC中间加入添加碳黑涂料的T2紫铜薄膜，激光透射焊接示意图如图2所示. 试验采用恒定夹具压力，因此不考虑夹紧力变化对焊接质量的影响. 在此研究中分析影响焊接质量的因素主要有激光功率、焊接速度，设计的单因素工艺参数水平表如表1所示.
![]()
图 2 激光透射焊接示意图 (mm)Figure 2. Schematic diagram of laser transmission welding. (a) overall schematic; (b) schematic diagram of partial enlargement表 1 单因素工艺参数水平表Table 1. Single factor experiment试验工艺参数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 激光功率P/W 25 30 35 40 45 50 55 60 65 焊接速度v/(mm·s−1) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2. 试验结果和分析
2.1 不同激光功率对焊接性和残余应力的影响
图3为焊接速度v = 5 mm/s时，激光功率对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响. 图中可以看出：随着激光功率的增大，焊缝抗剪强度先增大后减小. 主要原因是焊接过程中在功率低于45 W范围内，随着功率增大，单位时间铜膜所吸收的能量逐渐增大，从而增加了熔池区域的温度，使得铜膜与上下层聚合物的热传递效果更好，两个试件连接处熔化，更易形成熔池，提高了焊缝抗剪强度. 而当功率超过45 W，随着激光功率的增加，焊缝抗剪强度反而下降. 这是由于激光能量过高会导致聚合物产生热分解，并形成烧蚀、孔洞或碳化，这对焊接性能产生不利的影响. 同时从图中可以看出，焊缝宽度与激光功率成正比，这是因为随着激光功率的增加，单位时间铜膜所吸收的能量逐渐增大，并将能量传导至所接触聚合物上下层结合面，使得聚合物熔化区域逐渐扩大，从而导致焊缝宽度逐渐增加.
![]()
图 3 激光功率对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响Figure 3. Effect of laser power on welding strength and weld width图4进一步展示了焊接速度v = 5 mm/s时，铜膜的变形深度和变形面积随焊接功率的变化情况. 图中可以看出：随着激光功率增大，铜膜变形深度与变形面积均先增大后减小. 这是因为随着激光功率的增大，铜膜吸收的热量越多，聚合物逐渐熔化对铜膜的挤压效果越明显，而当功率过高时焊缝处的聚合物完全熔化，材料的弹性模量为0，失去对材料的支撑，对铜膜的挤压效果降低.
![]()
图 4 激光功率对铜膜变形深度和变形面积的影响Figure 4. Effect of laser power on the deformation depth and area of copper film图5是焊接速度v = 5 mm/s时，不同激光功率下焊接件焊缝形貌的微观结构图. 图中展示了不同功率下焊缝处铜膜的变形深度与变形面积. 从图中可以看出：随着激光功率的升高，焊缝上下层聚合物中的单个气泡与凹陷体积增大. 在焊接过程中，随着功率的增大，激光能量增大，使得聚合物熔化区域的面积增大，并且对铜膜产生挤压，在聚合物的上下层都产生了凹陷结构，铜膜与上下层聚合物在聚合物熔融力场作用下，于交界面处形成微铆接结构. 随着功率的继续增大，气泡与凹陷形貌更加明显，焊缝抗剪强度逐步上升.但当激光功率超过45 W时，焊缝抗剪强度开始下降，上下层出现了较大的分散的孔，主要是由于激光能量过高导致聚合物的局部热分解而造成的.
![]()
图 5 不同激光功率下横截面处铜膜变形Figure 5. Deformation of copper film at cross section at different laser powers. (a) P = 35 W; (b) P = 40 W; (c) P = 45 W; (d) P = 50 W; (e) P = 55 W如图6所示，当焊接速度v = 5 mm/s时，焊缝处的纵向残余应力随着激光功率的增大而增大. 这是因为激光功率增大，激光透射焊接时能量越大. 热量集中到铜膜处使得接头处物理膨胀和冷却收缩变形更加剧烈，对铜膜的挤压越严重，压应力越大，形成收缩变形越大，残余变形和残余应力也越大.
由图3、图4、图6可知，当焊接速度v = 5 mm/s时，在激光功率P = 45 W时焊缝抗剪强度最大，残余应力较小，而此时的铜膜的变形深度和变形面积反而最大，显然铜膜变形在一定程度上有利于提高焊接性能和减小残余应力.
2.2 不同焊接速度对焊接性及残余应力的影响
图7为激光功率P = 45 W时，焊接速度对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响. 图中可以看出，随着焊接速度的增大，焊缝抗剪强度先增大后减小. 主要原因是当焊接速度小于2 mm/s时，单位时间铜膜所吸收的能量过多，导致铜膜与上下层聚合物结合面处的温度过高且高于聚合物的热分解温度，聚合物产生烧蚀、孔洞或碳化等现象，因此焊缝抗剪强度下降；而随着焊接速度逐渐增加，铜膜与上下层聚合物结合面处的温度高于聚合物的熔化温度且低于其热分解温度时，热传导效果良好，焊缝抗剪强度逐渐增大. 当速度继续增加到大于5 mm/s，单位时间铜膜所吸收的能量过低，导致传导至结合面处温度过低，且低于聚合物的熔化温度时，聚合物无法熔融，焊缝抗剪强度逐渐下降. 同时从图中可以看出，焊缝宽度与焊接速度成反比，这是因为焊接速度越大，到达结合面处的单位时间激光能量越低，热影响区越小，因此焊缝宽度越小.
![]()
图 7 焊接速度对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响Figure 7. Effect of welding speed on welding strength and weld width图8进一步展示了激光功率P = 45 W时，铜膜的变形深度和变形面积随着焊接速度的变化情况. 当焊接速度v > 5 mm/s时，随着焊接速度增大，铜膜变形与变形面积因为单位时间铜膜吸收的能量减小而减小. 当速度v < 5 mm/s时，速度越小，焊缝处的温度高于熔化温度的位置范围增加，伴随着聚合物的降解和气泡产生，铜膜与聚合物的实际接触面积减少，铜膜变形与变形面积反而减小.
![]()
图 8 焊接速度对铜膜变形深度和变形面积的影响Figure 8. Effect of welding speed on the deformation depth and area of copper film图9是激光功率P = 45 W时，扫描电镜观察不同焊接速度下焊缝形貌的微观结构图. 图中展示了不同焊接速度下焊缝处铜膜的变形深度与变形面积. 从图中可以看出：随着焊接速度的增加，焊缝上下层的气泡数量与凹陷体积先略微增大后减小.当焊接速度小于5 mm/s时，焊缝上下层的气泡数量与凹陷体积随着焊接速度的提高而增大，与激光功率对焊缝抗剪强度的影响原因相同，焊缝抗剪强度也随之提高. 随着焊接速度的继续增加，热累积减小，使得到达交界面处的激光能量减弱，聚合物熔化区域的面积减小，上下层聚合物对铜膜的挤压程度减弱，从而导致焊缝抗剪强度下降.
![]()
图 9 不同焊接速度下横截面处铜膜变形Figure 9. Deformation of the copper film at the cross section at different welding speeds. (a) v = 1 mm/s; (b) v = 3 mm/s; (c) v = 5 mm/s; (d) v = 7 mm/s; (e) v = 9 mm/s如图10所示，当激光功率P = 45 W时，焊缝处的纵向残余应力随着焊接速度的增大而减小. 这是因为焊接速度越小，激光透射焊接时能量越低，热量集中到铜膜处使得接头处物理膨胀和冷却收缩变形程度减弱，对铜膜的挤压减弱，压应力越小，形成收缩变形越小，残余变形和残余应力也越小.
由图7、图8、图10可知，当激光功率P = 45 W时，在焊接速度v = 5 mm/s时焊缝抗剪强度最大，残余应力较小，而此时铜膜的变形量和变形面积也是相对较大，说明铜膜变形在一定程度上有利于提高焊接性能和减小残余应力，此规律与激光功率的影响规律相似.
3. 结论
(1)随着激光功率和焊接速度的增大，焊缝抗剪强度及铜膜变形量均先增大后减小；焊缝宽度与激光功率成正比，与焊接速度成反比. 残余应力与激光功率成正比，与焊接速度成反比.
(2)在焊接速度P = 45 W，焊接速度v = 5 mm/s时，焊缝抗剪强度最大，此时的残余应力较小，而此时的铜膜的变形量和变形面积也是相对较大，因此铜膜的变形在一定程度上有利于提高焊接性能和减小残余应力.
-
![]()
图 1 应变片粘贴的示意图与实物图
Figure 1. Schematic diagram and physical image of strain gage pasting. (a) schematic diagram; (b) physical diagram
![]()
图 2 激光透射焊接示意图 (mm)
Figure 2. Schematic diagram of laser transmission welding. (a) overall schematic; (b) schematic diagram of partial enlargement
![]()
图 3 激光功率对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响
Figure 3. Effect of laser power on welding strength and weld width
![]()
图 4 激光功率对铜膜变形深度和变形面积的影响
Figure 4. Effect of laser power on the deformation depth and area of copper film
![]()
图 5 不同激光功率下横截面处铜膜变形
Figure 5. Deformation of copper film at cross section at different laser powers. (a) P = 35 W; (b) P = 40 W; (c) P = 45 W; (d) P = 50 W; (e) P = 55 W
![]()
图 7 焊接速度对焊缝抗剪强度和焊缝宽度的影响
Figure 7. Effect of welding speed on welding strength and weld width
![]()
图 8 焊接速度对铜膜变形深度和变形面积的影响
Figure 8. Effect of welding speed on the deformation depth and area of copper film
![]()
图 9 不同焊接速度下横截面处铜膜变形
Figure 9. Deformation of the copper film at the cross section at different welding speeds. (a) v = 1 mm/s; (b) v = 3 mm/s; (c) v = 5 mm/s; (d) v = 7 mm/s; (e) v = 9 mm/s
表 1 单因素工艺参数水平表
Table 1 Single factor experiment
试验工艺参数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 激光功率P/W 25 30 35 40 45 50 55 60 65 焊接速度v/(mm·s−1) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
下载: 导出CSV
-
[1] Souza D. Effects of hydroxyvalerate contents in thermal degradation kinetic of cellulose acetate propionate/poly(3-hydroxyalkanoates) blends[J]. Journal of Thermal Analysis & Calorimetry, 2012, 109(3): 1353 − 1364.
[2] Shea J J. Handbook of plastics, elastomers, & composites[J]. Electrical Insulation Magazine IEEE, 2003, 19(1): 53 − 53.
[3] Lambiase F, Paoletti A, Di Ilio A. Mechanical behaviour of friction stir spot welds of polycarbonate sheets[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 80(1−4): 301 − 314. doi: 10.1007/s00170-015-7007-4
[4] Jedrasiak P, Shercliff H R. Finite element analysis of heat generation in dissimilar alloy ultrasonic welding[J]. Materials & Design, 2018, 158: 184 − 197.
[5] Wałęsa K, Malujda I, Górecki J, et al. The temperature distribution during heating in hot plate welding process[J]. MATEC Web of Conferences, 2019, 254: 02033. doi: 10.1051/matecconf/201925402033
[6] Liu H, Jiang Y, Tan W, et al. Enhancement of the laser transmission weldability between polyethylene and polyoxymethylene by plasma surface treatment[J]. Materials, 2018, 11(1): 29.
[7] 刘海华, 姜宁, 郝云, 等. 激光透射焊接聚碳酸酯工艺参数对接触热导率的影响[J]. 中国激光, 2017, 44(12): 62 − 70. Liu Haihua, Jiang Ning, Hao Yun, et al. Influences of process parameters of laser transmission welding of polycarbonate on contact thermal conductivity[J]. Chinese Journal of Laser, 2017, 44(12): 62 − 70.
[8] 郝云, 王传洋, 刘海华, 等. 基于接触热阻的聚碳酸酯激光透射焊接温度场分析[J]. 应用激光, 2018, 38(1): 58 − 62. Hao Yun, Wang Chuanyang, Liu Haihua, et al. Temperature field analysis of laser transmission welding of polycarbonate based on thermal contact resistance[J]. Applied Laser, 2018, 38(1): 58 − 62.
[9] 钟红强, 王传洋, 王呈栋, 等. 基于铝膜吸收层的激光透射焊接聚碳酸酯研究[J]. 应用激光, 2019, 39(4): 590 − 595. Zhong Hongqiang, Wang Chuanyang, Wang Chengdong, et al. Research on laser transmission welding polycarbonate based on aluminum film absorbing layer[J]. Applied Laser, 2019, 39(4): 590 − 595.
[10] Acherjee B, Kuar A S, Mitra S, et al. Experimental investigation on laser transmission welding of PMMA to ABS via response surface modeling[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(5): 1372 − 1383.
[11] Amanat N, Chaminade C, Grace J, et al. Transmission laser welding of amorphous and semi-crystalline poly-ether–ether–ketone for applications in the medical device industry[J]. Materials & Design, 2010, 31(10): 4823 − 4830.
[12] Ai Y, Zheng K, Shin Y C, et al. Analysis of weld geometry and liquid flow in laser transmission welding between polyethylene terephthalate (PET) and Ti6Al4V based on numerical simulation[J]. Optics & Laser Technology, 2018, 103: 99 − 108.
[13] Liu H X, Yan Z, Li P, et al. Prediction of molten area in laser transmission welding of thermoplastic polymers[J]. Science & Technology of Welding & Joining, 2014, 19(6): 487 − 492.
[14] Wang X, Chen H, Liu H. Investigation of the relationships of process parameters, molten pool geometry and shear strength in laser transmission welding of polyethylene terephthalate and polypropylene[J]. Materials & Design, 2014, 55(6): 343 − 352.
[15] Bappa Acherjee, Arunanshu S Kuar, Souren Mitra, et al. Empirical modeling and multi-response optimization of laser transmission welding of polycarbonate to ABS[J]. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2015, 2(3): 103 − 123. doi: 10.1007/s40516-015-0009-0
[16] Zhu X, Scalea F L D. Thermal stress measurement in continuous welded rails using the hole-drilling method[J]. Experimental Mechanics, 2017, 57(1): 165 − 178.
[17] Puymbroeck E V, Nagy W, Schotte K, et al. Determination of residual welding stresses in a steel bridge component by finite element modeling of the incremental hole-drilling method[J]. Applied Sciences, 2019, 9(3): 536. doi: 10.3390/app9030536
[18] Ussing T, Petersen L V, Nielsen C B, et al. Micro laser welding of polymer microstructures using low power laser diodes[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 33(1−2): 198 − 205. doi: 10.1007/s00170-007-0969-0
[19] Ghorbel E. A viscoplastic constitutive model for polymeric materials[J]. International Journal of Plasticity, 2008, 24(11): 2032 − 2058. doi: 10.1016/j.ijplas.2008.01.003
-
期刊类型引用(1)
1. 冯伟，于庭祥，徐锴，陈波，张庆素，周宝金. 1 000 MPa级高强钢埋弧焊熔敷金属组织及性能. 焊接. 2023(11): 6-12 . 
百度学术
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数: 460
- HTML全文浏览量: 16
- PDF下载量: 35
- 被引次数: 1
