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焊接知識
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實(shí)現成功的激光塑料焊接,需要考慮哪些因素?
2022-01-13

 工業(yè)激光器被廣泛應用于工程塑料的各種加工,服務(wù)著(zhù)眾多行業(yè)市場(chǎng)。一些常見(jiàn)的塑料加工應用包括激光打標、激光切割和激光焊接(見(jiàn)圖1)。激光塑料焊接主要應用在汽車(chē)和醫療器械領(lǐng)域。


 




圖1:激光塑料焊接


Plasticwelding:塑料焊接; 


plasticcutting :塑料切割;


plasticengraving:塑料雕刻;


thermoplasts:熱塑性塑料;


duroplasts:硬質(zhì)體塑料;


elastomers:彈性體塑料;


Foaming:發(fā)泡處理;


Carbonizing:碳化處理


 


為什么用激光塑料焊接?


       相比于傳統的接觸式焊接,激光塑料焊接優(yōu)勢明顯。首先,激光焊接是無(wú)接觸式焊接;其次,焊點(diǎn)位置通常位于兩個(gè)重疊件的界面處,焊接區域被隱藏,看起來(lái)比較美觀(guān),并且不污染焊接零件的表面。因此,從外觀(guān)來(lái)看,無(wú)法判斷兩個(gè)相接觸的零件已經(jīng)從上到下焊接在一起。


       傳統的塑料焊接技術(shù),如超聲波或熱沖壓,兩塊塑料焊接在一起都不可避免地影響外表面。非接觸激光塑料焊接,利用激光在聚合物鏈中部分透射、反射、散射以及吸收實(shí)現焊接。通過(guò)選擇合適的激光參數,可以在塑料的選定位置產(chǎn)生足夠的熱量,以實(shí)現熔化和粘接。


       激光焊接工藝應該在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期就建立起來(lái)。有些不是為激光焊接專(zhuān)門(mén)研發(fā)的塑料產(chǎn)品,有時(shí)也能用激光實(shí)現焊接;但如果在塑料產(chǎn)品研發(fā)的早期階段,就將激光焊接工藝考慮進(jìn)來(lái),將會(huì )大大減少激光焊接中可能出現的一些問(wèn)題。


 


設計考量




 


圖2:激光塑料焊接的設計考量


Successfullaser plastic weld:成功的激光塑料焊接


Correct choiceof plastics: Thermal and chemical compatibility:正確選擇塑料類(lèi)型:熱力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)適配


Effectivedelivery method for laser beam to part:激光束到達零件的有效傳輸方法


Matching ofoptical properties of plastics and laser beam:塑料的光學(xué)性質(zhì)與激光束匹配


Sufficientpart fit-up and fixturing forces along part extremities:沿零件末端有足夠的裝配力和固定力


 


塑料產(chǎn)品具有優(yōu)異的機械、幾何、熱力學(xué)和光學(xué)等特性(見(jiàn)圖2),因此塑料產(chǎn)品的激光可焊接性由以下因素決定:


所選擇的材料是否適配?適配性是指被焊接的兩種塑料,在熔化溫度、化學(xué)性能、機械特性以及幾何和光學(xué)屬性方面所表現出的特性,是否適合焊接在一起。


激光束能否有效地通過(guò)上層塑料傳輸到交界面,以及底層塑料能否在焊接區吸收激光能量產(chǎn)生熱量?


在焊接過(guò)程中,零件是否能夠有效地貼合在一起,施加的力是否能夠控制?零件的幾何形狀是否能讓零件很好地貼合而不會(huì )產(chǎn)生間隙?


在幾何形狀固定的情況下,激光能量能否有效地傳遞到塑料零件并產(chǎn)生熱量?


 


熱力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)相適配


       塑料的熔點(diǎn)比金屬低很多。工程塑料的熔點(diǎn)約為250°C。有些塑料的熔點(diǎn)要高一些,例如聚醚醚酮(PEEK),熔點(diǎn)在350~400℃之間。當兩種塑料的熔點(diǎn)溫度相匹配的時(shí)候,有助于熔池的混合,提高再凝固時(shí)的機械強度。熔化溫度相匹配的兩種塑料,特別適合用激光焊接。


       此外,塑料的化學(xué)成分也是一個(gè)重要的影響因素。例如,盡管高密度聚乙烯(HDPE)與低密度聚丙烯(PP)屬于同族材料,但是這兩種塑料卻無(wú)法焊接到一起。而低密度聚乙烯(LDPE)與聚丙烯就能實(shí)現焊接。因此激光塑料焊接必須要考慮被焊材料的組合。


 


光學(xué)性質(zhì)匹配


       在材料加工中,所用的激光是單色或者帶寬很窄的相干可聚焦光束,波長(cháng)在800nm~2μm范圍內的近紅外和紅外激光,在塑料焊接中應用最為廣泛。這些波長(cháng)比人眼可見(jiàn)的532nm的綠光及635nm的紅光要長(cháng)。激光波長(cháng)為800~2000nm時(shí),被焊接的塑料必須在這個(gè)范圍內有一定程度的透射和吸收。


      塑料一般是半晶態(tài)結構,有晶相和非晶相。激光照射塑料時(shí),除了引起透射和吸收外,非晶態(tài)和晶態(tài)之間的折射率差異,還會(huì )對激光產(chǎn)生散射和反射。半晶態(tài)結構對焊接的影響,主要取決于對激光產(chǎn)生的散射和反射的強度。因此,通過(guò)有效的光學(xué)設計,可以讓激光透過(guò)上層塑料,在下層塑料上產(chǎn)生吸收(見(jiàn)圖3)。有時(shí),需要在塑料中摻入添加劑,提高對激光的吸收能力。在塑料產(chǎn)品的設計階段就應該考慮摻入添加劑是否合適——例如在用于醫療器械的塑料中摻入添加劑能否通過(guò)FDA測試?


 




 


圖3:塑料焊接中理想化的激光傳輸和吸收模型


Infrared laserbeam:紅外激光


Top plasticpart, transmission:上層塑料,透光


Lower plasticpart, absorption:下層塑料,吸光


Encapsulatedlaser weld at plastic interface: 塑料接觸界面焊縫被密封


 


        一些塑料中含有玻璃纖維(如聚酰胺PA-66,通常稱(chēng)為尼龍)。玻璃纖維的含量,會(huì )影響激光的透過(guò)率,玻璃纖維濃度較高的地方,激光透射率較低。


       關(guān)于塑料焊接的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是:哪些顏色的塑料可以焊接在一起?這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有統一答案,事實(shí)上許多顏色組合的塑料都能焊接在一起。


       此外,通過(guò)對塑料成分的精心設計,也可以實(shí)現同種顏色塑料,如透明塑料、白色塑料、黑色塑料之間的激光焊接??梢?jiàn)光一般不能透過(guò)彩色塑料,而單色波長(cháng)的激光卻有可能透過(guò)。


 


零件裝配和固定


       塑料零件應該確保被塑型成某種幾何形狀,通過(guò)裝配部件的良好配合,使其適合激光塑料焊接,并確保接頭處可以充分貼合。由于激光不易在空氣間隙中傳遞熱量,因此,激光焊接時(shí),零件的焊接部位應保持充分接觸。搭接焊就是一個(gè)很好的例子。在某些情況下,對接焊也能實(shí)現很好的焊接質(zhì)量,這在很大程度上取決于激光束如何作用于焊縫,以及塑料成型機產(chǎn)生的零件公差。將蓋子焊接到容器上就是一個(gè)很好的零件配合的案例。


       在焊接過(guò)程中實(shí)施向下的力,對焊接復雜的零件來(lái)說(shuō)是必不可少的,特別是對于那些難以在其邊界自然地實(shí)現良好裝配的大型零件。夾緊力可以通過(guò)伺服驅動(dòng)產(chǎn)生,也可以通過(guò)氣動(dòng)夾緊產(chǎn)生。塑料焊接時(shí)有一個(gè)坍塌力,它決定了塑料在受熱熔化變形之前能承受多大的力,以及熔化時(shí)將零件推到一起需要多大的力。通常,激光塑料焊接過(guò)程中,通過(guò)集成力-位移傳感器來(lái)監測和控制在焊接過(guò)程中施加在零件上的力。


 


有效控制熱量


       在激光焊接中,將激光傳輸到工件的方法有多種。在此簡(jiǎn)單介紹幾種方法。第一種,保持激光焊接頭固定,XYZR工作臺相對激光頭運動(dòng)。由于運動(dòng)平臺在開(kāi)始和停止點(diǎn)以及改變方向時(shí)需要加速,因此在焊接時(shí)可能不會(huì )導致大型部件的均勻加熱。然而,這種焊接方法很靈活,因為激光路徑可以通過(guò)CAD數據生成。


       第二種方法是使用高速振鏡使激光束以10m/s的速度快速移動(dòng)。高功率激光束以非常高的速度移動(dòng),可以使整個(gè)焊縫從一端到另一端幾乎瞬間加熱,加熱比較同步且均勻。


       第三種方法是用激光透過(guò)掩膜照射零件。這種方法需要掩膜孔徑與焊縫形狀一致。每當焊縫形狀變化的時(shí)候掩膜就得重新制作,因此這種方法靈活性不大。


       第四種方法使用率不太高,是用專(zhuān)門(mén)的激光透鏡,產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)狀焦點(diǎn),在規定方向上實(shí)現縫合焊縫。在焊接過(guò)程中可能需要控制激光功率,通過(guò)高溫計測量焊接過(guò)程中的工件溫度,并將此信息反饋給激光控制器的功率控制回路。


 


總結


       本文介紹了激光塑料焊接過(guò)程中的一些基本考量因素。最重要的是,塑料產(chǎn)品本身的設計必須要適合激光焊接——這就要求在產(chǎn)品設計的早期階段,研發(fā)團隊就應該與客戶(hù)合作,充分了解激光焊接的要點(diǎn)。生產(chǎn)復雜塑料產(chǎn)品的模具制造成本很高,模具設計者必須事先了解面向激光焊接存在的模具設計與制造問(wèn)題。解決了模具問(wèn)題,就可以確保從模具上下來(lái)的塑料零件的幾何形狀可以直接進(jìn)行激光焊接。


       激光塑料焊接在工業(yè)中的應用越來(lái)越深入,從汽車(chē)燈組件到噴墨打印機墨盒等各種大批量產(chǎn)品的制造,都用到了激光塑料焊接。