高分子材料论文
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，即在一定压力条件下，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头。激光束穿过透射激光高分子材料照射到吸收激光高分子材料被加热而熔化，同时由于热传导使与之相接触的透射激光熔化，并且随着照射时间的增加，熔化区逐渐增大，当达到所需的熔核尺寸时，停止激光束的照射，在压力的继续维持下，在高分子材料的搭接接头的结合面形成了永久性连接。由于焊缝在搭接接头的结合面形成，所以高分子材料的激光焊接表面质量非常好。
将 TPV-弹性体和 PP-聚丙烯按照如图 6所示的方式，形成搭接接头。焊接压力的施加是通过中间有圆孔（直径为 6 mm）的透明有机透玻璃板（70 mm×70 mm×4 mm）实现。图 6中两条圆线围成的区域为待焊接区域。
当焊接压力为 100 N、准直镜焦距为 60 mm、环形激光束的外径为 54 mm、环形激光束的内径为 47 mm时，激光输出功率和照射时间对焊接质量影响的横断面金相照片如图 7所示。由图 7可知，当热输入量过低（激光输出功率 400 W 及激光照射时间 0.4 s）时，由于热输入量不足，使得 PP-聚丙烯没有充分熔化，热量不能充分传递给 TPV-弹性体，两种材料只是通过范德华分子间力结合在一起，所以环形焊缝高分子材料搭接接头结合面积小并且结合不良，如图 7（a）所示；当热输入量过高（激光输出功率 1200 W 及激光照射时间 0.4 s）时，在照片中可以看到黑色孔洞，这是由于热输入量过高，导致环形焊缝搭接接头的高分子材料发生裂解，产生气体造成的，如图 7（c）所示；当热输入量适当（激光输出功率 800 W 及激光照射时间 0.4 s）时，环形焊缝高分子材料搭接接头结合良好，没有焊接缺陷存在，如图 7（b）所示。
当焊接压力为 100 N;激光输出功率为 400~1400 W,激光照射时间为 0.08~0.6 s;准直镜焦距为 60 mm、环形激光束的外径为 54 mm、内径为 47 mm 时，对 TPV-弹性体和 PP-聚丙烯进行多组激光焊接试验，并将不同焊接工艺下的试验样件沿垂直于环形焊缝方向切割成 10 mm×30 mm 小块，进行拉伸剪切试验。激光输出功率和照射时间对环形焊缝高分子材料搭接接头的拉伸剪切强度如图8所示。由图可知，当激光输出功率为800 W,激光照射时间为 0.6 s时，其拉伸剪切强度达到最大值（断裂位置位于 TPV-弹性体的母材上，2.4 MPa）；当激光输出功率为 1000 W,激光照射时间为 0.08 s时，其拉伸剪切强度较小（1.0 MPa），断裂位置位于搭接接头的结合面上。
在最大拉伸剪切强度时环形焊缝高分子材料搭接接头的横断面如图 9所示。由图可知，两种高分子材料很好地熔合在一起，熔合线处产生了高低不平的现象。这也是由于两种高分子材料在适合温度下被激励，在焊接压力的作用下，导致两种高分子材料分子发生相互扩散，形成了化学键，紧密接合在一起。
4 结 论
1） 利用光纤激光和光学整形系统，形成了环形激光束。随着准直镜焦距的增加，环形激光束的外径不变，而内径减小，从而使环形激光束的光环宽度增加；随着第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜之间距离 L12增加，环形激光束的外径和内径同时增加，而环形激光束的光环宽度几乎不变。另外，通过准直镜、第一枚圆锥透镜及第二枚圆锥透镜的同轴性调节，可改善环形激光束强度分布的不均匀性。
2） 当焊接压力为 100 N,准直镜焦距为 60 mm、环形激光束的外径为 54 mm及环形激光束的内径为 47 mm,激光输出功率为 800 W,激光照射时间为 0.6 s时，对厚度为 1~2 mm的高分子材料（TPV-弹性体+PP-聚丙烯）环形焊缝搭接接头进行了超高速同步焊接，其搭接接头的拉伸剪切强度达2.4 MPa,且拉伸剪切断口位于TPV-弹性体的母材上。
参 考 文 献
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