使用带穿孔铝膜吸收器的聚芳砜激光传输焊接：孔洞密度对接头形成和结合机制的影响

《Optics & Laser Technology》：Laser transmission welding of polyarylsulfone with perforated aluminum film absorbers: Influence of hole density on joint formation and bonding mechanism

激光穿孔铝膜吸光器在聚砜材料激光传输焊接中的应用研究表明，穿孔结构通过促进气体逸出和分子扩散，减少金属桥接区气泡形成，形成互锁复合焊缝，优化工艺参数后焊缝剪切强度提升59.5%，揭示了穿孔对热分布和界面粘附的增强机制。

　　

于晓东|王传阳|李冠霖|陈亚妮

鲁东大学交通学院，中国烟台264025

摘要

利用金属吸收剂进行热塑性塑料的激光传输焊接（LTW）为制造具有定制结构和功能特性的透明塑料部件提供了一种有前景的方法。为了提高成型稳定性和连接质量，本研究介绍了一种新型的激光穿孔铝（Al）膜吸收剂。首先研究了使用固体Al膜吸收剂制成的接头性能，随后系统地考察了穿孔Al膜孔密度对接头形成和机械性能的影响。结果表明，使用固体Al膜吸收剂的接头在金属桥接区出现了明显的气泡形成，有效结合主要局限于熔合区。相比之下，使用穿孔Al膜吸收剂的接头中，孔洞动态和接头形态的观察表明孔洞促进了气体释放和分子扩散，从而减少了气泡的形成，并有助于形成互锁的混合接头。此外，改进的温度分布增强了基材的熔合，形成了良好的焊接形态。断口分析显示PSU基材在桥接区有损伤，并残留有Al元素，表明穿孔增强了界面粘附力。在优化工艺参数后，接头剪切强度提高了59.5%。本研究证实了穿孔Al膜吸收剂是一种有效的策略，可以调节接头形成，通过LTW生产出高性能的热塑性塑料接头。

引言

由于轻质、可再加工性和机械性能，热塑性塑料在航空航天、汽车和消费电子领域受到了广泛关注[1]。聚芳砜（PSU）因其优异的热稳定性和出色的环境耐受性而特别引人注目[2]。结合控制共聚[3]和表面功能化[4]等改性技术，改进后的PSU复合材料满足了严格的多指标性能要求。有预测认为PSU可能在电子领域得到广泛应用[5]。对于电子设备而言，电子元件之间的有效连接至关重要，连接接头应与整体结构相匹配[6]。传统的注塑和挤出技术更适用于生产大型部件[7]。因此，探索合适的连接技术是必要的。

与粘合剂连接和机械固定相比，焊接在操作效率、接头完整性和机械性能方面表现更优[8]。特别是随着激光技术的进步，激光传输焊接（LTW）展现了更出色的性能。根据Le等人的研究[9]，界面处的光热转换是焊接的关键步骤。产生的热量驱动热塑性塑料熔体的分子扩散，随后在固化后形成粘合力。对于非晶态PSU而言，其耐热性和透明性增加了LTW的难度。选择优化的激光吸收剂以增强光热转换是解决问题的有效方法[10]。

激光吸收剂分为三类：着色剂[11]、氧化物颜料[12]和有机吸收剂[13]。其中，金属吸收剂在热塑性塑料的LTW中的应用近年来显著增加[14]。Liu等人[15]评估了四种不同导热系数的金属吸收剂，认为较高的导热系数可带来更高质量的焊接。

与炭黑吸收剂[16]相比，金属吸收剂产生了更细小的焊接微观结构和接头强度。这种改进归因于接头界面处形成了互锁结构和新化学键[17]。当使用电解铁颗粒作为激光吸收剂时，Kumar等人[18]发现存在大气泡，这对聚碳酸酯接头产生了负面影响。

热塑性塑料和金属添加剂之间的物理性质存在显著差异，这导致了复杂的传热、聚合物流动和气体释放现象，从而影响了接头的稳定形成[19]。Yu等人[20]建立了数学模型来描述线能量密度和粉末直径对LTW过程温度分布的影响。根据Ai等人的研究[21]，产生的热量促进了熔体流动，在聚对苯二甲酸乙二醇酯-Ti6Al4V界面处形成了均匀的孔隙结构。关于气体，Long等人[22]指出气体会导致热降解，并提出了一种通过抑制热降解的出现来优化加工窗口的潜在方法。Acherjee等人[23]采用响应面方法优化了接头质量。考虑到激光功率的显著影响，进行了单因素分析以进一步探讨连接行为[24]。然而，控制金属吸收剂LTW过程中界面形态和理解形成机制的方法尚未建立。

Kumar等人[25]证明表面纹理有助于减少激光辅助金属-聚合物连接过程中的接头缺陷。表面纹理产生了微槽，这些微槽为熔体流动提供了更多空间，同时改善了金属和聚合物之间的内部气体运动。He等人[26]指出，加热元件表面的分层微纳多孔结构显著提高了接头的均匀性和强度。实际上，接头均匀性与微纳多孔结构中的熔体流动密切相关。

本研究提出了激光穿孔Al膜吸收剂作为LTW过程中管理接头形成的创新方法。与固体Al膜吸收剂相比，使用这种吸收剂制备的PSU接头具有更高的剪切强度。实时监测气体运动和热场明确了穿孔Al膜吸收剂对接头形成的影响。通过对表面形态和元素扩散的断口分析，突出了穿孔的增强机制。

材料与实验设置

用于LTW实验的注塑成型非晶态PSU样品（120 × 30 × 2 mm3）由中国玉鑫塑料有限公司提供。该公司提供了密度、导热系数和比热容随温度变化的参数。通过Origin软件进行了参数拟合，得到了这些热性能表达式。然后进行了热重分析（TGA）以确定热物理性能。

使用固体Al膜吸收剂的PSU接头性能

图3(a)展示了使用固体Al膜吸收剂通过LTW制成的PSU接头的纵向截面宏观结构。该接头是在30 W的激光功率和3 mm/s的焊接速度下形成的，接头位于重叠位置。

如放大图（图3(b)所示，接头包括熔合区和金属膜桥接区。图3(c)表明，熔合区的宽度随着焊接速度的增加而减小。光学显微镜（OM）观察结果如下

结论

为了提高PSU接头的性能，引入了一种新型结构的吸收剂——穿孔Al膜作为主动设计元素。这种方法形成了具有优异机械性能的互锁混合接头。对接头形成和断裂行为的深入研究揭示了穿孔带来的增强机制。主要发现如下：

(1)

穿孔在成型过程中具有双重作用：它们调节了温度分布

作者贡献声明

于晓东：撰写初稿、进行形式分析、数据整理。王传阳：资金获取。李冠霖：资源准备、方法设计。陈亚妮：验证、数据整理。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号52475390）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。