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塑料激光焊接技术
时间:2019-04-27 13:35:20 点击量: 作者: 博艺精密

激光焊接技术

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基本介绍

当被粘接的塑料零部件是非常精密的材料(如电子元件)或要求无菌环境(如医疗器械和食品包装)时,激光焊接技术就能派上很大用场。激光焊接技术速度快,特别适用于汽车塑料零部件的流水线加工。另外对于那些很难使用其它焊接方法粘接的复杂的几何体,可以考虑使用激光焊接技术。

优点

激光加工具有很多优点,其中有:
 焊接设备不需要和被粘结的塑料零部件相接触。
 速度快。
 设备自动化程度高,很方便的用于复杂塑料零部件加工。
 不会出现飞边。
 焊接牢固。
 可以得到高精度的焊接件。
 无振动技术。
 能产生气密性的或者真空密封结构。
 最小化热损坏和热变形。
 可以将不同组成或不同颜色的树脂粘结在一起。

优势

激光焊接应用于塑料部件熔接的优点包括:焊接精密、牢固和密封不透气和不漏水,焊接过程中树脂降解少、产生的碎屑少,制品的表面能够在焊缝周围严密地连接在一起。激光焊接没有残渣的优点,使它更适用于国家食品药品监督管理局管制的医药制品及电子传感器等。
易于控制,可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件。由于激光便于计算机软件控制,而且光纤激光器输出可灵活地达到零件各个细微部位,采用激光焊接能够焊接其它焊接方法不易达到的区域,焊接具有复杂外形、甚至是三维几何形状的制品。
与其他熔接方法比较,激光焊接大幅减少制品的振动应力和热应力。这意味着制品或者装置内部组件的老化速度更慢,可应用于易损坏的制品。能够焊接许多种类不同的材料。例如,能将透过近红外激光的聚碳酸脂,玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二脂连接在一起,而其它的焊接方法根本不可能将两种在结构、软化点和增强材料等方面如此不同的聚合物连接起来。

工艺

最常用的激光焊接形式被称为激光透射焊接。该技术的过程为:首先将两个待焊接塑料零部件夹在一起,然后将一束短波红外区的激光定向到待粘结的部位。激光束通过上层透明材料,然后被下层材料吸收。激光能量被吸收使得下层材料温度升高,熔化上层以及和下层的塑料。上层材料可以是透明的或者是有颜色的,但是必须能够保证有足够的激光通过。
图 1: 激光透射焊接的工作示意图
在过去由于两个透明的塑料层都不能吸收足够的激光能量,利用透射技术将它们焊接在一起是不可能;同样由于光束不具备足够的穿透能力,达到加热焊接接触面的作用,利过透射技术将两个黑色层的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技术进步,已经可以将这两种类型的材料焊接在一起。

设备

激光透射焊接技术主要使用两类激光设备:一个是掺钕钇铝石榴石合成晶体(Nd3+:YAG),另一个是半导体二极管。Nd3+:YAG激光的波长为1064纳米(nm),容易被含有特殊填料或颜料的塑料吸收。可以通过光导纤维将激光很方便的传送到激光头,尤其是在使用自动化装置的焊接技术。
二极管激光器产生的波长范围在800-1000nm之间,这对焊接来说是效率最高的能量区域。它结构紧凑,可以很方便的安装在自动化设备上。二极管激光的吸收特征和Nd3+:YAG的吸收特征类似。
塑料焊接有时也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能产生10600nm的光波,这同Nd3+:YAG和二极管激光器产生激光相比,更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能没有其它两种激光器产生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。
激光类型 CO2 Nd3+:YAG 二极管
波长 (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 镜面反射 光纤及镜面 光纤及镜面
最小的光点大小(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对比
使用Nd:YAG或二极管激光的透射焊接技术,可以以超过20米/分的线速度将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达750米/分。

材料

几乎所
可用于激光焊接的聚合物可用于激光焊接的聚合物
有的热塑性塑料和热塑性弹性体都可以使用激光焊接技术。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,由于其具有较低的激光透过率而不太适合使用激光焊接技术。因此常常在底层材料上加入炭黑,以便使其能吸收足够能量,从而满足激光透射焊接的要求。
图 2:可用于激光焊接的聚合物
未填充的或者玻纤增强的聚合材料都可以用于激光焊接。但是过高的玻纤含量会散射发出得IR激光,降低光束通过聚合物的穿透力。有色塑料也可以用于激光焊接,但是随着颜料或染料含量的增加,激光束的通过塑料的穿透能力会有所下降。

焊接类型

塑料激光焊接有几种不同的焊接方式。
顺序型周线焊接(contour welding):激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化,将塑料层逐渐的粘结在一起;或者将被夹层沿着固定的激光束移动达到焊接的目的。
同步焊接(simultaneous welding):来自多个二极管激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上,并熔化塑料,从而使得整个轮廓同时熔化并粘结在一起。
准同步焊接(Quasi-simultaneous welding): 该技术综合了上述两种焊接技术。利用反射镜产生高速激光束(至少10 米/秒的速度),并沿着待焊接的部位移动,使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。
掩模焊接(mask welding):激光束通过模板进行定位、熔化并粘结塑料,该模板只暴露出下面塑料层的一个很小的、精确的焊接部位。使用这种技术可以实现低至10微米的高精度焊接。
图 3: 顺序型周线焊接、同步焊接和准同步焊接技术(左到右)
Globo焊接(GLOBO Welding)是沿着产品的轮廓周线进行焊接的,它是瑞士莱丹(Leister)公司的专利技术。激光束经由气垫式,可无摩擦任意滚动的玻璃球点状式的聚焦于焊接界面,该玻璃球不仅仅进行聚焦而且也充当机械夹紧夹具。当该球在表面上滚动时,为接合面提供了持续压力。这就确保了在激光加热材料的同时有压力夹紧。该玻璃球取代了机械夹具,同时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,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,如燃油喷嘴、变档机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、前灯和尾灯等。其它汽车方面的应用还包括进气管光歧管的制造以及辅助水泵的制造。
图 4
: 激光焊接技术加工的汽车前灯,使用了可以聚焦激光同时还起到夹持工具作用的玻璃球面
在医学领域,激光焊接技术可用于制造液体储槽、液体过滤器材、软管连接头、造口术袋子、助听器、移植体、分析用的微流体器件等。
图 5: 激光焊接技术制造的微流体器件,利用了该技术的高精度的特点
激光焊接是一项无振动技术,因此它特别适合用于加工精密的电子元器件。通过激光技术制造的器材有鼠标、移动电话、连接器件等。激光技术制造的汽车电子产品有自动门锁、无钥匙进出设备以及传感器等。
激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,它沿着薄膜的边缘移动,通过粘接作用形成一个包装用的封体结构。操作过程可以完成的非常快
。根据TWI公司的资料,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。
图 6:激光焊接
两聚乙烯薄膜的显微图象

最新发展

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在激光技术发展的早期阶段,该技术将两个透明的塑料焊接在一起是不可能的。现在在两层塑料之间的接触处红外吸收涂料的作用下,可以实现两种透明材料之间的粘结。涂料在激光的照射下发热并熔化相邻层的材料,进而达到粘结的目的。
图 7:
塑料表面接触处的激光吸收涂料发热并连接通常不可焊接的透明材料层
两层黑色塑料在过去用激光来焊接也是不可能的,这是因为激光能量在到达焊接界面之前就已经被吸收。但现在我们可以在上层塑料中加入特殊的颜料,使其在肉眼看起来是黑色的,但对于激光却是透明的,这样就可以实现黑色材料的焊接。颜料能够保证足够的激光能量透过上层材料以便在两层接触面上产生熔化。

结论

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激光焊接塑料技术是很专业化的粘结技术,当要求高速焊接以及要求精密焊接或无菌条件焊接时,这就可以发挥出激光焊接最好的优势。该技术曾经受制于价格因素,但是随着设备价格的不断下降,已经在很多应用领域比超声波焊接以及热板焊接更具竞争力。激光焊接技术主要的应用领域有医疗、汽车、电子和包装等领域。由于助剂和涂料技术的发展克服了激光焊接技术早期应用的限制条件,所以激光焊接技术的深入广泛使用在很大程度上要归功于它们的进步。

利弊分析

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激光焊接技术是用通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波,熔化接头区的塑料。所用激光的类型和塑料的吸收特性决定可能焊接的程度。
激光焊接也极大地减小了制品的振动应力和热应力。比采用其它连接方式所产生的振动应力和热应力小,意味着制品或者装置的内部组件的老化速度更慢。这个特点为将激光焊接应用于易损坏的制品(如电子传感器)提供了一个机会。
很多种类不同的材料能够用激光焊接在一起,激光焊接使用近红外线激光(NIR),波长在810到1064纳米。首先,两种制品在低压力下被夹紧在一起,近红外线激光穿过一个制品(近红外线激光透射)然后被另外一个制品吸收(近红外线激光吸收)。吸收近红外线激光的制品将光转化为热,然后在制品的接触面处熔化,同时热也传导到透射近红外线激光的制品的表面,形成一个焊接区。焊接缝的强度能够超过原始材料的强度。举例说,激光焊接将能透过近红外线激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)连接在一起。其它的焊接方法不能将两种在结构、软化点和增强材料等方面如此不相同的聚合物连接起来。激光焊接最擅长于焊接具有复杂外形(甚至是三维的)的制品,能够焊接其它焊接方法不易达到的区域。
塑料激光焊接技术在各个领域,例如在国防和医学领域的成熟应用有助于使它应用于塑料连接方面。自90年代中期以来,二极管型和钇铝石榴石型激光器已经向着有利于塑料连接的方向发展。这些激光器的功率显著增大,而它们的成本在过去五年内下降了大约90%。已经发现大多数塑料能有效透射二极管激光器(810到940纳米)和钇铝石榴石激光器(1064纳米)所发射的激光或者接近它们波长带的激光。(二氧化碳激光器发射的激光容易被塑料吸收,这将导致塑料燃烧的危险)。
激光焊接没有残渣的优点也使它比较适合应用于以下制品∶食品及药物管理局(FDA)管制的医药制品,汽车制品和其他的电子传感器。
已经证明,二极管激光器和钇铝石榴石激光器用于塑料焊接时,它们有良好的适应性。例如,可以将二极管激光排列起来以生成复杂的线状焊缝。还可以将二极管激光发射器组合堆积起来,以获得特殊应用所需要的高焊接功率。
激光焊接方式对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,由于这些材料对近红外光的透射率很低,因而不适合激光焊接方式;另一个不足之处是当两种材料中都填充炭黑时,由于两种材料都是黑色,它们是不能被焊接在一起的。这对于汽车外壳下的设备和其他黑色的装置采用激光焊接来说是一个障碍。现在很多材料公司也推出了激光可焊接的黑色塑料,比如,激光可焊记得黑色PC,黑色PA66等等。
同样,两种对近红外线激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于对近红外光的吸收很少,所以也不能用激光焊接起来。这对于医药,包装和消费产品来说是一个很大的缺点,因为这些产品都要求透明。
最后,由于许多矿物填充的化合物能够吸收近红外线激光,所以通常不适合用激光焊接。高填充的玻纤增强物能够改变近红外线激光的透射率,降低焊接效率,不过原料供应商的配方中的玻纤含量通常不会超过这个限度。

焊接设备

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目前国内塑料激光焊接设备才开始起步,大多处于摸索阶段。比如国内最早生产激光焊接机就推出了采用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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