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塑料激光焊接

激光焊接技术是利用激光束产生的热量熔化塑料接触面,然后将热塑性片、薄膜或模塑部件粘结在一起的技术。它*早出现在20世纪70年代,但由于成本高,无法与振动焊接技术、热板焊接技术等早期塑料粘接技术竞争。然而,自20世纪90年代中期以来,激光焊接技术所需的设备成本逐渐受到人们的广泛欢迎。

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激光焊接技术

基本介绍

当粘接的塑料零件是非常精密的材料(如电子元件)或需要无菌环境(如医疗器械和食品包装)时,激光焊接技术可以发挥很大的作用。激光焊接技术速度快,特别适用于汽车塑料零件的装配线加工。此外,激光焊接技术也可用于那些难以用其他焊接方法粘接的复杂几何体。

优点

激光加工有很多优点,包括:

 焊接设备不需要接触粘结的塑料零件。

 速度快。

 设备自动化程度高,复杂塑料零件加工非常方便。

 飞边不会出现。

 焊接牢固。

 可获得高精度焊接件。

 无振动技术。

 能产生气密性或真空密封结构。

 *小化热损伤和热变形。

 不同组成或颜色的树脂可以粘结在一起。

优势

激光焊接应用于塑料零件焊接的优点包括:焊接精密、牢固、密封不透气、无泄漏、树脂降解少、焊接过程中产生的碎片少,产品表面可在焊缝周围紧密连接。激光焊接没有残留物的优点,更适合国家食品药品监督管理局控制的医疗产品和电子传感器。

易于控制,可焊接尺寸小或形状结构复杂的工件。由于激光易于计算机软件控制,光纤激光输出可灵活到达零件的各个细部分,激光焊接可焊接其他焊接方法不易到达的区域,焊接形状复杂甚至三维几何形状的产品。

激光焊接与其法相比,激光焊接大大降低了产品的振动应力和热应力。这意味着产品或装置内部部件的老化速度较慢,可用于易损坏的产品。可焊接多种不同的材料。例如,玻璃纤维增强的黑色聚对苯二甲酸丁二脂可以通过近红外激光连接在一起,而其他焊接方法不可能在结构、软化点和增强材料上连接两种不同的聚合物。

工艺

*常用的激光焊接形式称为激光透射焊接。该技术的过程是:首先将两个待焊接的塑料零件夹在一起,然后将一束短波红外激光定向待粘接的零件。激光束通过上层透明材料被下层材料吸收。吸收激光能使下层材料温度升高,熔化上下层塑料。上层材料可透明或有色,但必须能保证有足够的激光通过。

图 1: 激光透射焊工作示意图

过去,由于两个透明塑料层都不能吸收足够的激光能量,不可能使用透射技术将其焊接在一起;同样,由于光束没有足够的穿透能力,不可能通过透射技术将两个黑色层的材料焊接在一起。然而,随着*近的技术进步,这两种材料可以焊接在一起。

设备

激光透射焊接技术主要采用两种激光设备:一种是钕铝石榴石合成晶体(Nd3 :YAG),二是半导体二极管。Nd3 :YAG激光波长为10 ** 纳米(nm),它很容易被含有特殊填料或颜料的塑料吸收。激光很容易通过光纤传输到激光头,特别是在使用自动化装置的焊接技术中。

二极管激光器产生的波长范围为800-1000nm这是焊接中*有效的能量区域。它结构紧凑,安装在自动化设备上非常方便。二极管激光的吸收特性及Nd3 :YAG类似的吸收特性。

塑料焊接有时也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能产生106000nm光波,这个Nd3 :YAG与二极管激光器产生的激光器相比,更容易被塑料吸收。但二氧化碳激光器的穿透性不如其他两种激光器产生的激光器。因此,二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。

激光类型 CO2 Nd3 :YAG 二极管

波长 (um) 10.6 1.06 0.8-1.0

*大能量 (W) 60,000 6,000 6,000

效率 10% 3% 30%

透射光束 镜面反射 光纤及镜面 光纤及镜面

*小光点大小(mm) 0.2-0.7(直径) 0.1-0.5(直径) 0.5x0.5

表 1: 市场上常用的塑料激光加工技术比较

使用Nd:YAG或者二极管激光的透射焊接技术可以超过20米/分的线速1mm上述厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接膜的速度可达750米/分。

材料

激光焊接技术可用于几乎所有的热塑性塑料和热塑性弹性体。常用的焊接材料有 PP、PS、PC、ABS、聚酰胺、PMMA、聚甲醛、PET以及PBT等。聚苯硫醚等其他工程塑料PPS而液晶聚合物,由于其激光透过率低,不适合激光焊接技术。因此,碳黑经常被添加到底层材料中,以吸收足够的能量,从而满足激光透射焊接的要求。

聚合物可用于激光焊接

图 2:可用于激光焊接的聚合物

未填充或玻璃纤维增强的聚合物材料可用于激光焊接。但过高的玻璃纤维含量会散射IR激光,通过聚合物降低光束的穿透力。有色塑料也可用于激光焊接,但随着颜料或染料含量的增加,激光束的穿透能力会降低。

焊接类型

塑料激光焊接有几种不同的焊接方法。

顺序周线焊接(contour welding):激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并熔化,逐渐将塑料层粘结在一起;或沿着固定的激光束沿着夹层移动焊接。

同步焊接(simultaneous welding):沿焊接层的轮廓线引导多个二极管激光束熔化塑料,使整个轮廓同时熔化粘结。

准同步焊接(Quasi-simultaneous welding): 该技术结合了上述两种焊接技术。高速激光束(至少10个)由反射镜生成 米/秒的速度)并沿待焊接部位移动,使整个焊接部位逐渐加热熔合。

掩模焊接( ** sk welding):激光束通过模板定位、熔化和粘结塑料,只暴露了下面塑料层的一个小而准确的焊接部分。该技术可实现低至10微米的高精度焊接。

图 3: 顺序周线焊接、同步焊接和准同步焊接技术(左右)

Globo焊接(GLOBO Welding)它沿着产品的轮廓周线焊接,瑞士莱丹(Leister)公司专利技术。激光束通过气垫式聚焦在焊接界面上,无需摩擦任何滚动玻璃球点。玻璃球不仅聚焦,而且作为机械夹紧夹具。球在表面滚动时,为接合面提供持续的压力。这保证了激光加热材料的压力夹紧。玻璃球取代了机械夹具,扩大了激光焊接在连续三维焊接中的应用范围。

应用

在汽车工业中,激光焊接塑料技术可用于制造燃油喷嘴、变速器框架、发动机传感器、驾驶室框架、液压油箱、过滤框架、前灯、尾灯等汽车零部件。其他汽车的应用还包括进气管光歧管和辅助泵的制造。

图 4: 激光焊接技术加工的汽车前灯采用玻璃球面,可聚焦激光,夹持工具

在医学领域,激光焊接技术可用于制造液体储罐、液体过滤设备、软管连接器、口袋、助听器、移植体、分析微流体设备等。

图 5: 激光焊接技术制造的微流体器件利用该技术的高精度

激光焊接是一种无振动技术,特别适用于精密电子元件的加工。激光技术制造的设备包括鼠标、手机、连接器等。激光技术制造的汽车电子产品包括自动门锁、无钥匙进出设备和传感器。

激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,沿着薄膜的边缘移动,形成包装封体结构。操作过程可以很快完成。TWI公司信息,使用1000W二氧化碳激光可以100米/分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。

图 6:激光焊接两聚乙烯薄膜的显微图像

*新发展

在激光技术发展的早期阶段,不可能将两种透明塑料焊接在一起。现在,在两层塑料之间的红外吸收涂层的作用下,两种透明材料之间的粘结可以实现。涂层在激光下加热并熔化相邻层的材料,以达到粘合的目的。

图 7: 塑料表面接触处的激光吸收涂层加热,并连接通常不焊接的透明材料层

过去不可能用激光焊接两层黑色塑料,因为激光能量在到达焊接界面之前就被吸收了。但现在我们可以在上塑料中加入特殊的颜料,肉眼看起来是黑色的,但激光是透明的,这样黑色材料就可以焊接了。颜料可以保证足够的激光能通过上层材料熔化两层接触面。

结论

激光焊接塑料技术是一种非常**的粘接技术。当需要高速焊接和精密焊接或无菌条件焊接时,可以发挥激光焊接的*佳优势。该技术曾经受到价格因素的影响,但随着设备价格的下降,它在许多应用领域比超声波焊接和热板焊接更具竞争力。医疗、汽车、电子和包装是激光焊接技术的主要应用领域。由于添加剂和涂层技术的发展克服了激光焊接技术早期应用的限制,激光焊接技术的广泛应用在很大程度上得益于其进步。

利弊分析

激光焊接技术是利用通常存在于电磁光谱红外区域的集束强辐射波和熔化接头区域的塑料。激光的类型和塑料的吸收特性决定了焊接的程度。

激光焊接也大大降低了产品的振动应力和热应力。振动应力和热应力小于其他连接方式,这意味着产品或设备的内部部件老化速度较慢。这一特点为将激光焊接应用于易损坏的产品(如电子传感器)提供了机会。

许多不同类型的材料可以用激光焊接在一起,激光焊接使用近红外激光(NIR),波长在810到10 ** 纳米。首先,两种产品在低压下夹在一起,近红外激光通过一种产品(近红外激光透射)被另一种产品吸收(近红外激光吸收)。吸收近红外激光的产品将光转化为热,然后在产品的接触面熔化。同时,热也传递到透射近红外激光的产品表面,形成焊接区域。焊缝的强度可以超过原材料的强度。例如,激光焊接将能够通过近红外激光的聚碳酸酯(PC)黑色聚对苯二甲酸丁二酯和30%玻璃纤维增强(PBT)连接在一起。其他焊接方法不能将两种不同的聚合物连接到结构、软化点和增强材料上。激光焊接*擅长焊接外形复杂(甚至三维)的产品,能焊接其他焊接方法难以达到的区域。

塑料激光焊接技术在国防、医学等各个领域的成熟应用,有助于将其应用于塑料连接。自20世纪90年代中期以来,二极管和铝石榴石激光器一直朝着有利于塑料连接的方向发展。这些激光器的功率显著增加,过去五年成本下降了90%左右。已经发现大多数塑料都能有效地传输二极管激光器(810-940纳米) ** 接近其波长带的纳米激光或激光。(二氧化碳激光器发射的激光容易被塑料吸收,有燃烧塑料的危险)。

激光焊接无残渣的优点也使其更适合以下产品∶食品药品管理局(FDA)控制药品、汽车制品等电子传感器。

二极管激光二极管激光器和铝石榴石激光器在塑料焊接中具有良好的适应性。例如,二极管激光器可以排列以产生复杂的线性焊缝。二极管激光发射器也可以组合和积累,以获得特殊应用所需的高焊接功率。

对于某些材料来说,激光焊接也有一些局限性∶一是高性能聚合物,如PPS、聚(PEEK)和LCP,由于这些材料对近红外光的透射率很低,不适合激光焊接;另一个缺点是,当两种材料都填充炭黑时,它们不能焊接在一起,因为它们都是黑色的。这是汽车外壳下设备和其他黑色设备激光焊接的障碍。现在很多材料公司也推出了激光可焊黑塑料,比如激光可焊记得黑PC,黑色PA66等等。

同样,两种透射近红外激光的材料(通常是透明的或白色的)也不能用激光焊接,因为它们很少吸收近红外激光。这是医药、包装和消费品的一大缺点,因为这些产品需要透明度。

*后,由于许多矿物填充的化合物可以吸收近红外激光,因此通常不适合激光焊接。高填充玻璃纤维增强剂可以改变近红外激光的透射率,降低焊接效率,但原材料供应商配方中的玻璃纤维含量通常不超过此限度。

焊接设备

目前国内塑料激光焊接设备才刚刚起步,大部分都处于探索阶段。例如,中国*早生产的激光焊机推出了半导体激光器做为光源的塑料焊接机,根据客户的工件形态,分别有:

1、 基于振镜运动方式的塑料激光焊接机,主要用于平面焊接;

2、 基于电动工作台三维运动的塑料激光焊接机,主要用于三维曲线的焊接。

同时结合客户产品特点定制各种工装夹具,选择合适的激光添加剂配方,为客户提供交钥匙工程


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