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              塑料激光焊接技術

              時間:2019-04-27 13:35:20 點擊量: 作者: 博藝精密

              激光焊接技術

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              基本介紹

              當被粘接的塑料零部件是非常精密的材料(如電子元件)或要求無菌環境(如醫療器械和食品包裝)時,激光焊接技術就能派上很大用場。激光焊接技術速度快,特別適用于汽車塑料零部件的流水線加工。另外對于那些很難使用其它焊接方法粘接的復雜的幾何體,可以考慮使用激光焊接技術。

              優點

              激光加工具有很多優點,其中有:
               焊接設備不需要和被粘結的塑料零部件相接觸。
               速度快。
               設備自動化程度高,很方便的用于復雜塑料零部件加工。
               不會出現飛邊。
               焊接牢固。
               可以得到高精度的焊接件。
               無振動技術。
               能產生氣密性的或者真空密封結構。
               最小化熱損壞和熱變形。
               可以將不同組成或不同顏色的樹脂粘結在一起。

              優勢

              激光焊接應用于塑料部件熔接的優點包括:焊接精密、牢固和密封不透氣和不漏水,焊接過程中樹脂降解少、產生的碎屑少,制品的表面能夠在焊縫周圍嚴密地連接在一起。激光焊接沒有殘渣的優點,使它更適用于國家食品藥品監督管理局管制的醫藥制品及電子傳感器等。
              易于控制,可焊接尺寸小或外形結構復雜的工件。由于激光便于計算機軟件控制,而且光纖激光器輸出可靈活地達到零件各個細微部位,采用激光焊接能夠焊接其它焊接方法不易達到的區域,焊接具有復雜外形、甚至是三維幾何形狀的制品。
              與其他熔接方法比較,激光焊接大幅減少制品的振動應力和熱應力。這意味著制品或者裝置內部組件的老化速度更慢,可應用于易損壞的制品。能夠焊接許多種類不同的材料。例如,能將透過近紅外激光的聚碳酸脂,玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二脂連接在一起,而其它的焊接方法根本不可能將兩種在結構、軟化點和增強材料等方面如此不同的聚合物連接起來。

              工藝

              最常用的激光焊接形式被稱為激光透射焊接。該技術的過程為:首先將兩個待焊接塑料零部件夾在一起,然后將一束短波紅外區的激光定向到待粘結的部位。激光束通過上層透明材料,然后被下層材料吸收。激光能量被吸收使得下層材料溫度升高,熔化上層以及和下層的塑料。上層材料可以是透明的或者是有顏色的,但是必須能夠保證有足夠的激光通過。
              圖 1: 激光透射焊接的工作示意圖
              在過去由于兩個透明的塑料層都不能吸收足夠的激光能量,利用透射技術將它們焊接在一起是不可能;同樣由于光束不具備足夠的穿透能力,達到加熱焊接接觸面的作用,利過透射技術將兩個黑色層的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技術進步,已經可以將這兩種類型的材料焊接在一起。

              設備

              激光透射焊接技術主要使用兩類激光設備:一個是摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3+:YAG),另一個是半導體二極管。Nd3+:YAG激光的波長為1064納米(nm),容易被含有特殊填料或顏料的塑料吸收?梢酝ㄟ^光導纖維將激光很方便的傳送到激光頭,尤其是在使用自動化裝置的焊接技術。
              二極管激光器產生的波長范圍在800-1000nm之間,這對焊接來說是效率最高的能量區域。它結構緊湊,可以很方便的安裝在自動化設備上。二極管激光的吸收特征和Nd3+:YAG的吸收特征類似。
              塑料焊接有時也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能產生10600nm的光波,這同Nd3+:YAG和二極管激光器產生激光相比,更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能沒有其它兩種激光器產生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。
              激光類型 CO2 Nd3+:YAG 二極管
              波長 (um) 10.6 1.06 0.8-1.0
              最大能量 (W) 60,000 6,000 6,000
              效率 10% 3% 30%
              透射光束 鏡面反射 光纖及鏡面 光纖及鏡面
              最小的光點大小(mm) 0.2-0.7(直徑) 0.1-0.5(直徑) 0.5x0.5
              表 1: 市場上常用的塑料激光加工技術對比
              使用Nd:YAG或二極管激光的透射焊接技術,可以以超過20米/分的線速度將1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接薄膜的速度可以高達750米/分。

              材料

              幾乎所
              可用于激光焊接的聚合物可用于激光焊接的聚合物
              有的熱塑性塑料和熱塑性彈性體都可以使用激光焊接技術。常用的焊接材料有 PP、PS、PC、ABS、聚酰胺、PMMA、聚甲醛、PET以及PBT等。而其它的一些工程塑料如聚苯硫醚PPS和液晶聚合物等,由于其具有較低的激光透過率而不太適合使用激光焊接技術。因此常常在底層材料上加入炭黑,以便使其能吸收足夠能量,從而滿足激光透射焊接的要求。
              圖 2:可用于激光焊接的聚合物
              未填充的或者玻纖增強的聚合材料都可以用于激光焊接。但是過高的玻纖含量會散射發出得IR激光,降低光束通過聚合物的穿透力。有色塑料也可以用于激光焊接,但是隨著顏料或染料含量的增加,激光束的通過塑料的穿透能力會有所下降。

              焊接類型

              塑料激光焊接有幾種不同的焊接方式。
              順序型周線焊接(contour welding):激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動并使其熔化,將塑料層逐漸的粘結在一起;或者將被夾層沿著固定的激光束移動達到焊接的目的。
              同步焊接(simultaneous welding):來自多個二極管激光束被引導到沿著焊接層的輪廓線上,并熔化塑料,從而使得整個輪廓同時熔化并粘結在一起。
              準同步焊接(Quasi-simultaneous welding): 該技術綜合了上述兩種焊接技術。利用反射鏡產生高速激光束(至少10 米/秒的速度),并沿著待焊接的部位移動,使得整個焊接處逐漸發熱并熔合在一起。
              掩模焊接(mask welding):激光束通過模板進行定位、熔化并粘結塑料,該模板只暴露出下面塑料層的一個很小的、精確的焊接部位。使用這種技術可以實現低至10微米的高精度焊接。
              圖 3: 順序型周線焊接、同步焊接和準同步焊接技術(左到右)
              Globo焊接(GLOBO Welding)是沿著產品的輪廓周線進行焊接的,它是瑞士萊丹(Leister)公司的專利技術。激光束經由氣墊式,可無摩擦任意滾動的玻璃球點狀式的聚焦于焊接界面,該玻璃球不僅僅進行聚焦而且也充當機械夾緊夾具。當該球在表面上滾動時,為接合面提供了持續壓力。這就確保了在激光加熱材料的同時有壓力夾緊。該玻璃球取代了機械夾具,同時擴大了激光焊接在連續三維焊接中的應用范圍。

              應用

              在汽車工業,激光焊接塑料技術可用于制造很多汽車零部件,如燃油噴嘴、變檔機架、發動機傳感器、駕駛室機架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應用還包括進氣管光歧管的制造以及輔助水泵的制造。
              圖 4
              : 激光焊接技術加工的汽車前燈,使用了可以聚焦激光同時還起到夾持工具作用的玻璃球面
              在醫學領域,激光焊接技術可用于制造液體儲槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。
              圖 5: 激光焊接技術制造的微流體器件,利用了該技術的高精度的特點
              激光焊接是一項無振動技術,因此它特別適合用于加工精密的電子元器件。通過激光技術制造的器材有鼠標、移動電話、連接器件等。激光技術制造的汽車電子產品有自動門鎖、無鑰匙進出設備以及傳感器等。
              激光還可以將塑料薄膜焊接在一起,它沿著薄膜的邊緣移動,通過粘接作用形成一個包裝用的封體結構。操作過程可以完成的非?
              。根據TWI公司的資料,它使用100W的二氧化碳激光可以以100米/分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。
              圖 6:激光焊接
              兩聚乙烯薄膜的顯微圖象

              最新發展

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              在激光技術發展的早期階段,該技術將兩個透明的塑料焊接在一起是不可能的,F在在兩層塑料之間的接觸處紅外吸收涂料的作用下,可以實現兩種透明材料之間的粘結。涂料在激光的照射下發熱并熔化相鄰層的材料,進而達到粘結的目的。
              圖 7:
              塑料表面接觸處的激光吸收涂料發熱并連接通常不可焊接的透明材料層
              兩層黑色塑料在過去用激光來焊接也是不可能的,這是因為激光能量在到達焊接界面之前就已經被吸收。但現在我們可以在上層塑料中加入特殊的顏料,使其在肉眼看起來是黑色的,但對于激光卻是透明的,這樣就可以實現黑色材料的焊接。顏料能夠保證足夠的激光能量透過上層材料以便在兩層接觸面上產生熔化。

              結論

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              激光焊接塑料技術是很專業化的粘結技術,當要求高速焊接以及要求精密焊接或無菌條件焊接時,這就可以發揮出激光焊接最好的優勢。該技術曾經受制于價格因素,但是隨著設備價格的不斷下降,已經在很多應用領域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競爭力。激光焊接技術主要的應用領域有醫療、汽車、電子和包裝等領域。由于助劑和涂料技術的發展克服了激光焊接技術早期應用的限制條件,所以激光焊接技術的深入廣泛使用在很大程度上要歸功于它們的進步。

              利弊分析

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              激光焊接技術是用通常存在于電磁光譜紅外線區的集束強輻射波,熔化接頭區的塑料。所用激光的類型和塑料的吸收特性決定可能焊接的程度。
              激光焊接也極大地減小了制品的振動應力和熱應力。比采用其它連接方式所產生的振動應力和熱應力小,意味著制品或者裝置的內部組件的老化速度更慢。這個特點為將激光焊接應用于易損壞的制品(如電子傳感器)提供了一個機會。
              很多種類不同的材料能夠用激光焊接在一起,激光焊接使用近紅外線激光(NIR),波長在810到1064納米。首先,兩種制品在低壓力下被夾緊在一起,近紅外線激光穿過一個制品(近紅外線激光透射)然后被另外一個制品吸收(近紅外線激光吸收)。吸收近紅外線激光的制品將光轉化為熱,然后在制品的接觸面處熔化,同時熱也傳導到透射近紅外線激光的制品的表面,形成一個焊接區。焊接縫的強度能夠超過原始材料的強度。舉例說,激光焊接將能透過近紅外線激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)連接在一起。其它的焊接方法不能將兩種在結構、軟化點和增強材料等方面如此不相同的聚合物連接起來。激光焊接最擅長于焊接具有復雜外形(甚至是三維的)的制品,能夠焊接其它焊接方法不易達到的區域。
              塑料激光焊接技術在各個領域,例如在國防和醫學領域的成熟應用有助于使它應用于塑料連接方面。自90年代中期以來,二極管型和釔鋁石榴石型激光器已經向著有利于塑料連接的方向發展。這些激光器的功率顯著增大,而它們的成本在過去五年內下降了大約90%。已經發現大多數塑料能有效透射二極管激光器(810到940納米)和釔鋁石榴石激光器(1064納米)所發射的激光或者接近它們波長帶的激光。(二氧化碳激光器發射的激光容易被塑料吸收,這將導致塑料燃燒的危險)。
              激光焊接沒有殘渣的優點也使它比較適合應用于以下制品∶食品及藥物管理局(FDA)管制的醫藥制品,汽車制品和其他的電子傳感器。
              已經證明,二極管激光器和釔鋁石榴石激光器用于塑料焊接時,它們有良好的適應性。例如,可以將二極管激光排列起來以生成復雜的線狀焊縫。還可以將二極管激光發射器組合堆積起來,以獲得特殊應用所需要的高焊接功率。
              激光焊接方式對一些材料而言也存在著部分局限∶一是高性能聚合物,如PPS、聚(PEEK)和LCP,由于這些材料對近紅外光的透射率很低,因而不適合激光焊接方式;另一個不足之處是當兩種材料中都填充炭黑時,由于兩種材料都是黑色,它們是不能被焊接在一起的。這對于汽車外殼下的設備和其他黑色的裝置采用激光焊接來說是一個障礙,F在很多材料公司也推出了激光可焊接的黑色塑料,比如,激光可焊記得黑色PC,黑色PA66等等。
              同樣,兩種對近紅外線激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于對近紅外光的吸收很少,所以也不能用激光焊接起來。這對于醫藥,包裝和消費產品來說是一個很大的缺點,因為這些產品都要求透明。
              最后,由于許多礦物填充的化合物能夠吸收近紅外線激光,所以通常不適合用激光焊接。高填充的玻纖增強物能夠改變近紅外線激光的透射率,降低焊接效率,不過原料供應商的配方中的玻纖含量通常不會超過這個限度。

              焊接設備

              編輯
              目前國內塑料激光焊接設備才開始起步,大多處于摸索階段。比如國內最早生產激光焊接機就推出了采用半導體激光器做為光源的塑料焊接機,根據客戶的工件形態,分別有:
              1、 基于振鏡運動方式的塑料激光焊接機,主要用于平面焊接;
              2、 基于電動工作臺三維運動的塑料激光焊接機,主要用于三維曲線的焊接。
              同時結合客戶產品特點定制各種工裝夾具,選擇合適的激光添加劑配方,為客戶提供交鑰匙工程。




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