塑料激 光焊接及其应用

来源:荣格

发布时间:2019年5月7日下午 05:05:15

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。
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。
传统塑 料焊接常用的方法
● 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。
● 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。
● 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。
● 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。
● 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。
● 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。
塑料激光焊接
● 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。
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。
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。
● 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。
塑料激光焊接的应用
树脂降解少,产生碎屑少,焊接过程非接触,不会产生污染,激光焊 接相比其它连接方式所产生的机械应力和热应力小,因此特别适合于鼠标、移动电话、连接器 件等加工精密的电子元器件,以及需 要以更清洁的方式来熔接的复杂部件,例如含 有线路板的塑料制品。汽车、医疗、消费电子、食品等 行业都是激光焊接的理想应用领域 。
汽车工业:激光焊 接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,如自动门锁、无钥匙进出设备、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。
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。
包装工业:例如高 级工业制成品的包装,采用塑 料薄膜焊接技术,可以得到加工高速、接缝可靠、外表美观的塑料包装。塑料材 质外包装材料的激光焊接连接。塑料材 料为热塑性塑料和人造橡胶。
电子器件产品封装:电子器 件产品的封装技术对于焊接环境和工艺的要求非常严格,例如低尘埃量、低热量、无强震动,封装精度高、接缝可靠耐用、外表美观等。封装用 的材料很大一部分就是塑料,因此塑 料激光焊接同样有很大的应用空间。
激光焊 接塑料具有低成本、无污染、高速度、加工方便、实现精密数控容易、原材料适用范围广、接合性 和工艺性好等综合优势,随着塑 料焊接工艺研究和塑料激光焊接设备的逐步商品化,塑料激 光焊接的应用必将越来越广泛,技术越来越成熟。

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