PMMA/ABS热塑性塑料激光透射焊接机理和工艺的研究

摘要

热塑性塑料的激光透射焊接以其优良的焊接质量、易于控制、可焊接微小零件（尺寸小于500μm）等诸多优点成为人们研究的热点，特别是汽车热塑性零件，激光透射焊接已成为该领域的首选加工方法。但是国内对于该课题的研究还非常少，无论是理论的研究，还是产业化方面都无法与国外相比。因此，开展塑料激光透射焊接研究有着十分重要的意义。 本文首先研究了塑料激光焊接的机理，得出：不仅要考虑光与聚合物的相互作用；还要想到塑料的热学性能（玻璃化转变温度、粘度、热导率、热膨胀性等）与金属不同，所以采用搭接结构比较合适。 其次，设计并确定了激光透射焊接的实验方案，包括选择激光器、焊接材料、焊接方法，设计焊接夹具，为了研究焊接因素对焊接质量的影响，对焊接样品进行破坏性拉伸试验和金相试验。结果表明：对于PMMA和ABS的激光透射焊接，在有夹具夹持的条件下，可以用能量密度进行定量判定：当焊缝宽Φ=5mm，焊接速度v=5mm/s，能量密度ED=0.364 J/mm2，焊接强度最高，焊接质量最好；当ED<0.364 J/mm2，两种材料在界面处由范德华分子力粘在一起，并未焊牢；当ED∈[0.368，0.376] J/mm2，一般也认为是焊牢，但由于焊接功率大于最优焊接功率，造成少量ABS的热分解，裂解产物又有少部分燃烧，因此形成小的黑色空洞，所以焊接强度下降；当ED>0.376 J/mm2，因激光功率过高，造成ABS大量的热分解，焊缝里形成很多连接在一起的黑色空洞，造成焊缝未焊牢，焊接强度明显下降。 由于研究与确定焊接工艺参数需要通过大量的实验，耗费大量的人力和物力，文本尝试使用ANSYS 有限元分析软件进行焊接温度场的模拟，以此确定有效的焊接能量参数。本文在焊缝宽Φ=3mm，焊接速度v=30mm/s，焊接功率P=20W、28W和35W时，分别进行温度场的模拟，得到的结果与真实的实验结果吻合良好。