气孔
1 mm
0.5 mm
图 6 PP 焊缝中心的气孔 （激光功率 60W，焊接速度 0.8m/min，光斑直径 4mm）
通过金相显微镜可以进一步观察焊缝中两种 PP 材料的熔合情况。在第 2 组实验中，PP 焊缝成形良好，无气孔，如图 7 所示。我们截取焊接接头中 a、b、c 三处典型的金相照片进 行分析，其中 a、c 为母材与焊缝的过渡区域，b 为焊缝中心区域，a、c 中的黑色部分为两 板间隙，属于未熔合，焊缝中心 b 及焊缝两边熔合良好，基本无缺陷。
为了提高焊缝强度，尝试在一组试样上焊两道后再进行拉伸测试。结果发现，当激光 功率为 40W、焊接速度 0.6 m/min、光斑直径 4mm 时，一道焊缝的最大拉断力为 330N，两 道焊缝的最大拉断力为 360N，两者的差别并不大。双道焊缝缝断面如下图所示。
图 12 双道焊缝断面图
从理论上说，试样焊两道时增大了接头的熔化结合面，即剪切面面积，焊缝断裂时的 最大拉力应该比一道焊缝时高出许多。假设同一焊接工艺参数下每条焊缝的熔化结合面积是 相同的，最理想的状态是焊两道时接头的最大拉断力比焊一道时大一倍，但实际上很难达到。 上述试验中两道焊缝的最大拉断力只比一道缝高出 30N，出现这种现象的原因有两点：一方 面，两道焊缝之间相隔一定距离（20mm），这个区域没有被完全压紧而存在一定间隙，并 且在焊完一道后没有松开夹具释放焊接变形而继续焊第二道，导致焊接热应力的积累，因此 在拉伸过程中会出现应力集中而降低接头强度；另一方面，在该工艺参数下焊缝中心发生了 少量烧蚀导致焊缝不均匀及气孔的出现，所以焊两道会进一步加剧应力集中使焊缝强度达不 到理想状态。因此，减少两道或多道焊缝的间隔距离和两板间隙，调整工艺参数和工艺过程， 可以改善焊缝及其周围的应力状态，最终大幅提高两道或多道焊缝的抗剪能力。
五、总结及后续工作计划
与传统的塑料连接方法比如：化学胶粘、和热工具焊、超声波焊、振动焊等相比，塑 料激光焊接体现出了其独特的优势，包括焊接过程中无振动和非接触，焊缝清洁美观且无残 渣，复杂工况下高度灵活和适应性强等等。通过工艺试验我们发现，利用激光对搭接的聚丙 烯材料进行透射焊接的这种新型塑料焊接方法是行之有效的。金相显微分析以及拉伸剪切强 度测试结果表明，激光透射焊接的工艺参数直接影响塑料的焊缝成形和焊接强度，现将有关 结论总结如下： 1. 激光功率和光斑直径对焊缝成形的影响
式中：σ= F DL
σ——剪切应力（N/m2）； F——施加在填充件与焊接件上使焊接件断裂的力（N）； D——焊缝宽度（m）； L——焊缝长度（m）；
图 10 拉伸示意图
通过前面的分析，我们采用焊缝成形较好、基本无缺陷的焊接接头做拉伸测试，结果发 现，激光功率或焊接速度的改变都会影响焊缝的剪切拉伸强度。当速度和光斑直径一定，激 光功率为 40W 时，试样被拉断时的最大拉力为 330N，换算成剪切强度即为 7.0MPa；激光 功率为 50W 时，试样被拉断时的最大拉力为 360N，换算成剪切强度即为 7.2MPa。焊缝断 面形貌如下图所示：
3、实验过程
工艺试验的目的是通过对热塑性塑料 PP/改性 PP 做不同激光焊接条件下的试验，探讨 工艺参数对焊缝尺寸、强度以及气孔等缺陷的影响，获得最佳工艺参数。通过分析，在有夹 具夹持的条件下，发现影响塑料焊接效果的因素主要有以下三点：激光功率、焊接速度和激 光光斑大小。在进行焊接工艺测试时，采用锁定其中两个变量，调节第三个变量的试验方法。 其中激光光斑大小通过改变激光头与工作台的相对位置来调节，激光在焦点位置上的光斑直 径为 0.3mm，离焦量不同，光斑大小不同。激光功率从 30W~90W 变化，焊接速度从 0.4m/min~1.2m/min 变化，光斑直径调整至 4mm 保持不变。在焊接过程中，让激光器聚焦 光束以一定速度扫描搭接好的 PP/改性 PP 板，上部为透光 PP，下部为吸光 PP。焊接完成后 的接头形貌如图 4 所示。
焊接速度直接影响焊缝的能量积累和扩散。在其他参数不变的情况下，提高焊接速度， 焊缝宽度和深度减少；降低焊接速度，焊缝宽度和深度增大。当焊接速度超过 0.4m/min 后， 焊缝的抗剪强度下降。 3. 焊缝成形对焊接强度的影响
焊缝成形的好坏主要取决于焊缝宽度和深度的大小、焊缝的均匀程度以及有无气孔、烧 蚀等缺陷。焊缝越宽越深，接头结合面积越大，抗剪能力越强；焊缝不均匀和气孔等缺陷使 得焊缝及其周围在拉伸过程中出现应力集中，降低接头剪切强度。
(a)
(b)
图 2 激光对接焊示意图
4、激光器的选用
激光器的选择主要依据其产生的特定波长的激光能否有效透过上部塑料而被下部塑料 所吸收。大部分本征塑料（未加吸光剂）能有效透过近红外激光（波长范围约为 800~1070nm）， 能够产生此波段激光的激光器有：半导体激光器（810~940nm），YAG 激光器（1060nm）， 光纤激光器（1000~2000nm），因此这三种激光器都能用于塑料的透射焊接。CO2 激光器产 生的激光波长为 10600nm，极易被塑料吸收而出现塑料高温分解和燃烧现象，只适合于塑料 薄膜的高速焊接（厚度小于 1mm）。结合实验室实际情况，激光器选用 IPG 光纤激光器（激 光波长 1070nm）。
聚丙烯（PP）激光透射焊接试验
一、实验目的
1、验证 PP 板与黑色改性 PP 板激光透射焊接的可行性； 2、针对影响焊缝形貌和质量的工艺因素，比如：激光功率、焊接速度、光斑直径等，设计
对比焊接试验，找出各因素对焊缝形貌和质量的影响规律； 3、对焊缝进行金相显微观察，测试焊接接头剪切强度，找出最佳的焊接工艺参数范围。
四、实验结果及分析
图 4 PP 激光透射焊接接头
1、金相实验
金相实验主要是通过显微镜进一步观察焊接质量。截取焊缝横截面制作金相试样，经过 打磨和抛光，然后在显微镜下观察焊缝的厚度和宽度，有无焊接缺陷，如气孔、残余的热变
形等等。在体式显微镜下低倍观察 PP/改性 PP 搭接焊接接头的典型横截面照片如图 5 所示。
a
b
a
b
c
1 mm
c
200μm
200μm
图 7 PP 焊缝横截面金相照片(100×)
（激光功率 40W、焊接速度 0.6m/min、光斑直径 4mm）
200μm
在第 7~9 组实验中，焊缝中均有气孔出现，这是由于能量输入过大，焊缝中心温度超过
PP 热分解温度，材料发生了降解。典型气孔金相照片如图 8 所示，黑色部分为 PP 完全降解 形成的孔洞，部分降解的区域呈银白色。
40
0.6
40

30
0.8
60
0.8
70
0.8
80
0.8
90
0.8
4
5.0
4
4.7
4
4.3
4
4.0
4
3.8
4
3.5
4
4.8
4
5.0
4
5.2
4
5.5
有无气孔
无 无 无 无 无 无 有 有 有 有
不同工艺参数及其所对应的焊缝宽度记录于表 2。从表中可以看出，激光功率和焊接速 度对焊缝宽度的影响。在其他参数不变的情况下，提高焊接速度，焊缝宽度减少；提高激光 功率，焊缝宽度增大。这是因为，提高功率或降低速度会导致更高的能量积累和更强的能量 扩散，从而得到更大更宽的焊缝。但是，在一定的光斑直径下，随着激光功率增加时，激光 的能量密度也逐渐增大，当塑料吸收的能量过大时，焊缝中心则会出现高温热降解现象而产 生气孔，如图 6 所示。
100μm
图 9 PP 焊缝中出现空洞（100×） （激光功率 90W、焊接速度 0.8m/min、光斑直径 4mm）
2、拉伸测试 拉伸测试在万能拉伸试验机上进行，剪切拉伸示意图如图 10 所示。拉伸试验主要测试
焊接接头所能承受的最大拉力，搭接接头的拉伸强度通过剪切应力的大小来衡量，计算剪切 应力大小公式如下：
100μm
图 8 PP 焊缝中出现气孔（100×） （激光功率 60W、焊接速度 0.8m/min、光斑直径 4mm）
在第 10 组实验中，焊缝中出现较大空洞。这是因为能量输入继续增大，焊缝中心 PP 分解加剧，产生可燃性气体，由于两板间有空气的存在，当温度达到着火点时，材料出现燃 烧产生空洞。典型金相照片如图 9 所示。
内。
材料
PP 改性 PP
颜色
白色 黑色
表 1 PP 的主要特性参数
软化温度
熔点
热分解温度
℃
℃
℃
150
170
360
密度 g/cm3
0.9
热导率 W/（m·K）
0.19
2、实验设备
实验过程中用到的设备主要包括：输出功率为 0~4kW 的 IPG 光纤激光器（型号 YLR-4000）（包括水冷机、光纤传导光路、冷却水路等辅助设施）、Precitek YW50 激光焊接 头、数控行走机构、带压板工作台。
激光功率和光斑直径共同决定激光的能量密度。当光斑直径一定时，激光功率越大，激 光能量密度越高；当激光功率一定时，光斑直径越小，激光能量密度越高。当能量密度过大 时，超出了使塑料熔化所需要的能量，材料发生分解甚至碳化，焊缝中心会出现气孔以及烧 蚀；当能量密度太低时，材料得不到熔融所需要的能量，所以又不能形成很好的焊接。只有 当能量密度适中时，焊缝才会有良好的熔化宽度和深度。比如：使用光斑直径为 4mm、功 率为 30~40W 的光纤激光焊接时，得到的塑料焊缝基本无缺陷，熔深约 5mm，熔宽约 0.5mm。 2. 焊接速度对焊缝成形的影响
三、实验方案
1、实验材料
本次试验采用 4mm 厚 PP 板(白色)和 4mm 厚添加炭黑改性 PP 板（黑色），外形已做成 标准拉伸试样，如图 3 所示。
图 3 PP 焊接试样
表 1 为 PP 的主要特性参数。可以看出，PP 的焊接应该在晶体熔融温度 Tm 与热分解温 度 Td 之间的区域范围。对于 PP 板来说，其熔融温度在 168~174℃之内，而其热分解温度大 约在 360℃左右，其焊接的温度范围大约在 190℃左右，焊接温度过高导致塑料热分解，温 度过低会出现未熔合，因此在焊接过程中需要调节焊接参数，将焊接温度控制在所需范围之