高分子材料环形焊缝超高速同步焊接探讨
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2024-08-10
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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，下面是小编搜集整理的一篇探究高分子材料环形焊缝超
高速同步焊接的论文范文，欢迎阅读查看。
1、引言
高分子材料是金属和玻璃的良好替代品，在工业领域中应用日趋广泛。如汽车业、电
子产品、包装业及医疗器械等诸多产业中都离不开各种工程高分子材料[1].由于采用激光
透射焊接技术对热塑性高分子材料进行焊接具有许多优点[2-6],如表面成型质量好，能形
成精密、牢固和密封的焊缝，树脂降解少，产生的碎屑少，不会产生污染等，近年来，得
到迅速发展和产业化。国外已经开始将塑料激光焊接应用于汽车、电子和医疗等行业，如
日本丰田公司现已采用多关节机器人组合的光纤激光器进行批量生产 PA6 高分子材料进气
歧管，取代了以往的螺栓连接方式，减小了进气歧管的体积和重量，提高了其生产效率;
奔驰公司将激光焊接应用于制造汽车的电子开门器，提高了外形和焊接接头质量及生产效
率。
传统焊接方法中，采用激光头旋转或工作台旋转的方式，对环形焊缝沿周线旋转焊
接。而关于环形焊缝的激光同步焊接方法，国内外还没有相关报导。总之，目前国内外研
究主要集中在焊接工艺参数对焊接质量的影响，研究结果表明，激光的光强分布[7-10]、
焊接速度[11-12]、透光 接件的光学性能焊[13]及吸光剂[14]是影响结合质量的主要因
素。本文利用光纤激光研究了环形激光束的形成原理，设计出能产生环形激光束的激光焊
接头，研究了不同激光功率和辐照时间对拉伸剪切强度的影响，确定了 TPV-弹性体和 PP-
聚丙烯的最佳工艺参数，实现了高分子材料环形焊缝超高速同步焊接，提高了生产效率和
焊接质量。
2、 材料及方法试验
2.1 试验材料及设备
内部(黄色)高分子材料(TPV-弹性体)为透射激光高分子材料，其外缘厚度为2mm,内缘
厚度为3mm.
外部(黑色)高分子材料(PP-聚丙烯)为吸收激光高分子材料，其外缘厚度为3mm 及内缘
厚度为1mm.其搭接部分厚度为(2+1)mm.
环形激光束试验系统示意图如图1所示，该试验系统由光纤激光器(2.0kW)、 形激光环
焊接头、水冷机、光束测量仪及焊接工装夹具等组成。工装夹具部分由工作台、热塑性激
光吸收材料、热塑性激光透射材料、高强螺栓和垫圈及激光透射压板组成。用光束测量仪
测量了环形激光束的轮廓，并由 JIS 标准确定了激光束直径，即光束强度为最大光束强度
的1/e2 时对应的直径被定义为光束直径。
2.2 环形激光束形成原理
环形激光束的形成原理如图2所示。该原理图包括一枚准直镜，第一枚圆锥透镜、第
二枚圆锥透镜，第一枚和第二枚圆锥透镜的顶角均为 110，直径均为 50mm.各符号的含
义：f为准直镜的焦距(分别为 f=60mm 和f=80mm)、NA 为激光束的数值孔径(0.11rad)，D
为通过准直镜激光束的直径，2R 为通过第二枚圆锥透镜激光束的外径，2r 为通过第二枚
圆锥透镜激光束的内径，H1 和H2 为第一枚和第二枚圆锥透镜的厚度(均为 21mm)，L12 为
第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜之间的距离，1为准直后的激光束经过第一枚圆锥透镜
的入射角，2为经过第一枚圆锥透镜后的折射角，光学镜片折射率均为 1.46,空气的折射
率为1.00.
光纤输出端发出的激光束照射到准直镜，激光束到准直镜的距离为准直镜的焦距，经
过准直镜后，激光束变为平行光束，其直径为 D;由于第一枚 透 和第二枚 透 的圆锥 镜 圆锥 镜
顶角均为 110o,所以穿过准直透镜后的平行光束照射到第一枚圆锥透镜上，然后折射到第
二枚圆锥透镜上，穿过第二枚圆锥透镜后，将形成外径为 2R 和内径为 2r 的环形激光束，
环形激光束的光环宽度为R-r.由原理 一步可知，随着准直 焦距的增加，激光束图进镜经过
准直镜入射到第一枚圆锥透镜的直径 D增加，经过两枚顶角相对的圆锥透镜折射后，导致
环形激光束的内径减小，而外径不变，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，由原理图可知，准直镜、第一枚圆锥透镜及第二枚圆
锥透镜的同轴性，将直接影响到环形激光束强度分布的均匀性。
3、 果与试验结 讨论
3.1 环形激光束的特性
当准直镜的焦距 f及第一枚圆锥透镜与第二枚圆锥透镜之间的距离L12 变化时，环形
激光束的分析结果如表 1、图3及图4所示。分析过程中，激光输出功率(300W)恒定不
变。
光的折射定律如下式所示：
然后，根据正弦定理计算得出不同 f及L12 下的环形激光束尺寸。
由表 1和图3的实际测量值与理论计算值研究分析结果表明，随着准直镜焦距的增
加，激光束的外径几乎没有变化，而内径减小，所以随着准直镜焦距的增加激光束的光环
宽度也增加。由试验结果可知，实际测量值与理论计算值基本吻合。
由表 1和图4的实际测量值与理论计算值研究分析结果表明，随着间距L12 的增加，环
形激光束的内径和外径同时增加，而环形激光束的光环宽度几乎不变。由试验结果可知，
实际测量值与理论计算值基本吻合。
3.2 环形激光束的强度分布
通过上述的分析可知，环形激光束的强度(能量密度)分布不均匀。造成这一现象的主
要原因是由于准直镜、第一枚圆锥透镜及第二枚圆锥透镜的同轴性较差的缘故。通过上述
三枚光学镜片的同轴性调节，可获得能量密度分布均匀的环形激光束，其结果如图5所
示。
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 6mm)的透明有机透玻璃板(70mm70mm4mm)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100N、准直 焦距镜 为 60mm、 形激光束的外径环为54mm、 形激光束的内环
径为 47mm 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 400W 及激光照射时间 0.4s)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 1200W 及激光照射时间 0.4s)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 800W 及激光
照射时间 0.4s)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100N;激光输出功率为400~1400W,激光照射时间为0.08~0.6s;准直镜焦
距为 60mm、 形激光束的外径环为54mm、内径为47mm 时，对 TPV-弹性体和 PP-聚丙烯进行
多 激光 接 ，并将不同 接工 下的 件沿垂直于 形 方向切割成组 焊 试验 焊 艺 试验样环 焊缝
10mm30mm 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800W,激光照射时间为
0.6s 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，2.4MPa);当激
光输出功率为1000W,激光照射时间为0.08s 时，其拉伸剪切强度较小(1.0MPa)，断裂位置
位于搭接接 的 合面上。头 结
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。
摘要：
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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，下面是小编搜集整理的一篇探究高分子材料环形焊缝超高速同步焊接的论文范文，欢迎阅读查看。1、引言高分子材料是金属和玻璃的良好替代品，在工业领域中应用日趋广泛。如汽车业、电子产品、包装业及医疗器械等诸多产业中都离不开各种工程高分子材料[1].由于采用激光透射焊接技术对热塑性高分子材料进行焊接具有许多优点[2-6],如表面成型质量好，能形成精密、牢固和密封的焊缝，树脂降解少，产生的碎屑少，不会产生污染等，近年来，得到迅速发展和产业化。国外已经开始将塑料激光焊接应用于汽车、电子和医疗等行业，如日本丰...
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