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塑料选择激光焊接的优势

塑料激光焊接定义:

随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑,塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料,被日益广泛地应用在各行业的零部件设计、制造上,传统的金属部件越来越多地被拥有同样工作性能的塑料部件替代,同时对塑料零件之间的焊接连接技术和焊接质量也提出了更高的要求,这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。

一、传统塑料焊接常用的方法

1. 超声波焊接

超声波焊接法通过机械高频振动而形成接缝。待装配的部件加压夹持于振荡焊头和固定焊头之间,然后与接触面呈直角,接受频率为20~40KHz的超声振动。交替式高频应力在接缝界面处产生热量,从而形成优质的焊接。

用于这一工艺的工具十分昂贵,因此,适宜在生产量较大时采用。应用领域包括在多头机上焊接医疗器材所用的阀门和筛检程序、盒体、汽车部件、吸尘器外壳等。

2. 摩擦焊接

热塑性塑料摩擦焊接(也称为“旋转焊接”)与金属焊接的原理相同。在这种焊接工艺中,将一片基材固定,另一片基材以受控的角速度旋转。当部件压合在一起时,摩擦热导致聚合物熔融,冷却后即形成焊接。摩擦焊接能产生优良的焊接质量,焊接工艺简单,重复性强,仅适合于至少有一个部件是圆形且不需要角度对齐的应用领域。

3. 振动焊接

振动焊接也称为线性摩擦焊接。两件热塑性部件在适当的压力、频率和振幅下相互摩擦,直到产生足够的热量使聚合物熔融为止。振动停止后,部件彼此对齐,熔化的聚合物固化后形成焊接。

此焊接工艺主要优点在于能高速焊接大型复杂线性部件。其它强项包括:能同时焊接多个部件,焊接工具简单,几乎能焊接所有热塑性材料,主要用于汽车和家用电器行业。

4. 热板焊接

对于塑料接合来说,热板焊接是最简单的批量生产技术。高温热板夹于待接缝的表面之间,直到软化为止。此时,将热板抽出,两表面在受控压力之下贴合,保持一段特定的时间后合在一起。然后,让熔融表面冷却,形成焊接。焊接工具或加热组件配有内置电热器,以避免塑料粘连于焊接工具上。

多种日常用品都采用这一焊接工艺,例如:吸尘器外壳,洗衣机和洗碗机部件、制动液油箱、后灯、指示灯等汽车部件。热板焊接法的弊端在于焊接速度较慢。

5. 热气焊接

热气焊接法利用加热的气流(通常为空气)将热塑性塑料基材和热塑性塑料焊条加热和熔化。基材和焊条熔融后形成焊缝。为确保有效焊接,必须在焊条上施加适当的温度和压力,还应确保合适的焊接速度和焊枪位置。主要用途包括化学品存储容器、通风管道和汽车保险杠等注塑件维修等。氮气用于氧气敏感的材料,如聚乙烯;氧气则形成更高的焊接强度。

这一焊接方法的主要优点在于能焊接大型、复杂的部件,但是焊接速度慢,焊接质量完全依赖于焊工的技能。

6. 植入焊接

在植入焊接中,首先将金属嵌件夹在待接缝的部件之间,然后通过感应或电阻方式加热。采用电阻焊接时,要求沿接缝放置电线将电流传导到植入件中;采用感应焊接时则不需要这种方式。植入焊接法已用于焊接大型部件等的复杂接缝,包括汽车保险杠、电动汽车和游艇船壳等。

二、塑料激光焊接原理

最常用的激光焊接形式被称为激光透射焊接,首先将两个待焊接塑料零部件加压力夹在一起,然后将一束短波红外区的激光定向到待粘结的部位。

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图1 塑料激光焊接基本原理图

激光束通过上层透光材料,然后被下层材料吸收,激光能量被吸收后转换为热能,由于两层材料被压在一起。热能从吸收层传导到透光层上,使得两层材料熔化并结合。

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图2 塑料激光焊接过程示意图

同时由于材料本身的热膨胀扩张产生内部压力。内部压力与外部压力共同作用确保了两部分的坚固焊接。图1、图2直观地说明了塑料激光焊接的原理与过程。

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在实际应用中,塑料激光焊接有几种不同的焊接工艺方法:

  • 顺序型周线焊接: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:来自多个二极管激光器的激光束,通过光学元件将激光束整形,激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上,同时在焊缝处产生热量,从而使整个轮廓线同时熔化并粘结在一起。

  • 扫描焊接:扫描焊接又称准同步焊接,扫描焊接技术综合了上述顺序型周线焊和同步焊接两种焊接技术。利用反射镜产生高速激光束10 米/秒的速度,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。

  • 照射掩膜焊接:激光束通过模板进行定位,熔化并粘结塑料,模板只暴露出下面塑料层上面积一个很小的精确的焊接部位,激光束仅对制品上没有被掩膜遮住的部分加热。使用这种技术可以实现低至10微米的高精度焊接。

三、塑料激光焊接的工艺

1. 激光的波长  

塑料焊接过程中常用的是二极管激光器或半导体激光器。光束处于近红外区域,并且光束波长在400~1,100μm,可以通过光纤传输,在这个范围内的激光束可以被大多数的塑料所吸收。二极管激光焊接系统紧凑,并且激光器还可以达到更高级别的功率。激光的波长可以根据特殊要求来设计。半导体激光器的波长一般是808~980μm。半导体激光器投资成本小,体积小,效率高。

2. 塑料材料  

热塑性塑料包含无定形塑料和半晶性塑料。能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上,所有热塑性塑料都能够被激光焊接。塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为:在热作用区内的材料,要求对激光光波的吸收性好;不属于热作用区部分的材料,则要求对光波的透过性好,尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的。

3. 吸收剂

吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料融化,随后冷却自然实现塑料件的接合。让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量。

通常理想的吸收剂是碳黑,碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收,从而大大提高塑料的热吸收效果,使得热作用区的材料融化得更快、效果更好。一些其他颜色的染料,也能够起到相同的吸收光波的效果。

添加吸收剂的方法有3种:一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂,这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面,而把没有渗吸收剂的塑料件放在上面,让激光光波通过;二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂,这样只有被渗透了吸收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化;三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂。

4. 其他参数

与金属焊接不同,塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大,塑料件上的热作用区就越大、越深,将导致材料过热、变形、甚至损坏。应该根据需要融化的深度来选择激光功率。

塑料激光焊接的速度比较快,一般得到1mm厚焊缝的焊接速度可达20m/min;而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜,最高速度可以达到750m/min。

四、塑料激光焊接的优势

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。与传统塑料焊接工艺相比,激光焊接具有焊接强度高,加热和冷却速度极快,热影响区小,焊接应力和变形很小;非接触加工,对焊件不产生外力作用,可焊接难于接触的部位;焊接工艺稳定,焊缝表面和内在质量好,性能高;激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接等诸多优点。

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Phonak阻垢器

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针头防护产品

1)非接触焊接,与待焊接工件不发生物理接触,热塑性塑料不发生化学反应,可在工业环境下操作,适用于需要卫生安全的医疗和食品行业。医疗行业主要用于注射系统、医疗电子设备、各种人造移植及造口产品等。

2)激光束形状尺寸可调控,从而控制热影响区和接合区域大小,自由度高,灵活性好。不限制待焊接零部件尺寸及形状,能够实现二维甚至三维的焊接,为多样化定制化零部件生产提供了基础。

3)焊接速度快,焊缝强度高,无飞边,无残渣,能够保证焊接区域的良好外观。相关数据显示,就普通乘用车而言,非金属材料重量占比约1/3,部分车型这一占比更大,塑料则是车用非金属四大材料之一。高档轿车保险杠采用塑料激光焊接能够达到强度和外观两全其美。其他如汽车滤清器、气液分离器、汽车仪表盘外壳、电子开门器、变速箱等激光焊接都能发挥良好效果。

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图:激光焊接工艺已经应用在部分车型尾灯中,比如HYUNDAI的顶级旗舰车型GENESIS和Equus。

4)精密牢固,不透气,不漏水,能极大减少热应力和振动应力,对于精密电子元器件及易损坏器件来说最适合不过。

欢迎加入激光焊接塑料讨论群,主要有汽车主机厂,改性塑料厂,助剂、医疗器械以及激光行业粉丝。

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