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《塑料激光焊接产业报告》连载-1 激光焊接概况

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、激光的波长


在金属材料的激光焊接工艺中,一般采用YAG或者CO2激光作为光源,塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的快速发展,半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。


三者之中,由于易于获得较大功率,前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍;而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高,但对可控性和易操作性要求较高,因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。


CO2、Nd:YAG和半导体激光三种光源的波长、最大功率、最小聚焦直径等参数的典型值如下所列:


1.CO2激光:波长较长,为10.6μm,属远红外波段,一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最大输出功率达50kW,转化效率约10%,最小聚焦直径约0.2~0.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深,适合于需要焊接较厚的塑料材料。CO2激光不能用光纤传输,只能透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路,从而影响激光头的操作性。


2.Nd:YAG激光:波长较短,为1.06μm,属近红外区波长,不易被塑料吸收。最大输出功率6kW,转化效率为3%,最小聚焦直径0.1~0.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小,可以方便地通过光纤传输来构建光路,可将激光头装到机器人手臂上,实现焊接过程的数控和精密自动化;另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料,到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收,从而实现焊接。


3.半导体激光:波长0.8~1.0μm,最大输出功率6kW,转化效率30%,最小聚焦直径0.5mm。由于其输出输出功率较小,适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化。


 二、塑料材料 


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。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括:PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃),PC塑料,ABS塑料,LDPE-低密度聚乙烯塑料,HDPE-高密度聚乙烯塑料,PVC-聚氯乙稀塑料,PBT-聚对苯二甲酸丁酯,Nylon6-尼龙6,Nylon66-尼龙66,PS-PS树脂等等。 


上述各种塑料制成的塑料件,如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对象。由于激光焊接具有传统焊接不具备的热作用区小、控制精确容易的特点,因此上述各种单体材料之间也可以进行焊接。 


三、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。如前所述,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。


塑料自身能够以较高吸收率吸收激光能量自然最好,但一般在不添加吸收剂的情况下,塑料对光波的吸收性不是很好,吸收效率很低,融化效率不理想。 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。 


英国焊接学会(TWI,TheWeldingInstitute)研制出了一种对可见光透明的染料。用这种染料做吸收剂,可以得到透明的塑料焊缝。碳黑在吸收红外波段的激光光波的同时,也吸收可见光波,这也是碳黑看起来为黑色的原因,用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深,与母材颜色不同。TWI研制出的对可见光透明的染料只吸收红外波段的电磁波,不吸收可见光,因此看起来焊缝仍然是透明的。


很多情况下,塑料焊接要求成品美观、精致,因此相比碳黑,对可见光透明的染料吸收剂非常受青睐。 


添加吸收剂的方法有3种:


  • 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;


  • 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;


  • 在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂。


四、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。 


五、软件 


激光焊接系统中,计算机软件的作用是对激光头的运动轨迹和速度、激光功率等一般性的工艺参数进行数字化控制,以达到提高加工速度和精度、改善加工质量的目的,这些与传统的激光加工(laseroem)中的软件控制并没有什么不同,但由于塑料激光焊接中吸收剂的特殊作用,塑料激光焊接控制系统和加工系统又有其自身的特色。 


英国TWI研究所结合其ClearWeld塑料焊接工艺,设计开发了计算预测吸收剂用量及用法的软件。根据不同材料的厚度、颜色、吸收比率等,结合激光器的功率、光波透过率等参数,在焊接前用软件计算吸收剂的用量和添加方法,再根据预测的用量添加吸收剂。 


提供给软件的输入数据包括:塑料材料特性:种类、厚度、颜色;焊接数据:焊接区域形状复杂程度、宽度、焊接速度;激光器特性:功率、红外光透过率等。 


经过计算和筛选,软件给出的输出结果包括:吸收剂种类、用量及要求的添加方式的列表,焊接过程中激光光波在上层材料中的能量损失。 


软件的计算结果与实际焊接测量的结果很接近。由于塑料激光焊接的规律性较强,有较好的可预测性,因此,采用软件计算筛选方法预测结果是非常有效和可行的。


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本章摘自塑料激光焊接产业链报告,连载中,敬请期待。当然大家有啥补充亦可加群指正交流,让这份报告更加完善。



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