塑料激光焊接機(jī)的原理和工藝

塑料激光焊接機(jī)原理

　塑料的激光焊接是一種透射式焊接工藝。因?yàn)樵S多熱塑性塑料對于可見光和近紅外光具有較好的光學(xué)穿透性，這樣激光就可以穿過上層材料到達(dá)焊接面，下層的材料含有一種可以吸收激光的著色劑，它吸收激光，從而受熱融化下層材料。由于上下兩層材料都有很好的熱傳導(dǎo)性并且接觸很緊密，下層產(chǎn)生的熱量可以傳到上層材料并使它融化，這樣就把兩個(gè)部件粘接在一起。目前激光透射式焊接有多種方式。其中最常用的兩種是輪廓焊接方式和掃描?高聚物材料的激光焊接是一種透射式焊接工藝。因?yàn)樵S多熱塑高聚物對于可見光和近紅外光具有較好的光學(xué)穿透性，這樣激光就可以穿過上層材料到達(dá)焊接面，下層的材料含有一種可以吸收激光的著色劑，它吸收激光，從而受熱融化下層材料。由于上下兩層材料都有很好的熱傳導(dǎo)性并且接觸很緊密，下層產(chǎn)生的熱量可以傳到上層材料并使它融化，這樣就把兩個(gè)部件粘接在一起。?

塑料激光焊接的工藝

　　(1)激光的波長

　　塑料焊接過程中常用的是二極管激光器或半導(dǎo)體激光器。光束處于近紅外區(qū)域，并且光束波長在400～1,100μm，可以通過光纖傳輸，在這個(gè)范圍內(nèi)的激光束可以被大多數(shù)的塑料所吸收。二極管激光焊接系統(tǒng)緊湊，并且激光器還可以達(dá)到更高級(jí)別的功率。激光的波長可以根據(jù)特殊要求來設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體激光器的波長一般是808～980μm。半導(dǎo)體激光器投資成本小，體積小，效率高。

　　(2)塑料材料

　　熱塑性塑料包含無定形塑料和半晶性塑料。能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。塑料激光焊接技術(shù)對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對激光光波的吸收性好;不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對光波的透過性好，尤其在對兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。

　　(3)吸收劑

　　吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。

　　通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化得更快、效果更好。一些其他顏色的染料，也能夠起到相同的吸收光波的效果。

　　添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過;二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化;三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。

　　(4)其他參數(shù)

　　與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。

激光焊接的過程：

激光焊接的幾種方式

　　目前激光透射式焊接有多種方式。其中最常用的兩種是輪廓焊接方式和掃描焊接的方式，這兩種方式的主要區(qū)別是在焊接材料上聚集能量的方式不同。由于兩者各有優(yōu)點(diǎn)，不同的應(yīng)用需要選擇適宜的焊接方式。??

輪廓焊接?

　　輪廓焊接是指需要焊接的零件和激光束按照制定好的路線進(jìn)行相對移動(dòng)而完成的焊接，相對移動(dòng)通過旋轉(zhuǎn)軸、線性軸或者機(jī)器人來完成，隨著路徑的前進(jìn)焊接材料依次融合從而完成焊接。這種方式的焊接，焊縫寬度范圍從產(chǎn)生零點(diǎn)幾到幾毫米，取決于激光模式和聚焦系統(tǒng)。? 這種工藝柔性大，可以進(jìn)行復(fù)雜的，三維的輪廓焊接。焊接零件的尺寸只是受限于用來固定焊接零件的夾具，這樣就能實(shí)現(xiàn)大型零件的焊接。這種焊接方式的不足是，由于高聚物的局部融化產(chǎn)生膨脹變形會(huì)導(dǎo)致焊接零件產(chǎn)生尺寸偏差。? 輪廓焊接主要應(yīng)用于形狀對稱的接縫的轉(zhuǎn)動(dòng)焊接或不允許有飛濺和殘?jiān)拇笮土慵暮附印?

掃描焊接?

　　電鏡掃描的焊接方式結(jié)合了輪廓焊接和同步焊接兩種方式。相對于輪廓焊接，掃描焊接的聚焦激光束沿焊縫移動(dòng)的速度更快。這種方式可以同時(shí)加熱融化整個(gè)焊縫，從而對焊縫的加熱更加均勻，還可以補(bǔ)償焊接工件的幾何尺寸誤差。此外，這種焊接方式產(chǎn)生的飛濺也少。? 這種工藝的循環(huán)時(shí)間比輪廓焊接短的多，由于電鏡掃描范圍的限制，零件尺寸不能超過230x230mm，但可以通過采用多個(gè)電鏡的方法來實(shí)現(xiàn)較大零件的焊接。掃描焊接不能進(jìn)行復(fù)雜的三維焊接，它適合焊接時(shí)間短、小型零件的焊接或?yàn)榱速|(zhì)量控制需要監(jiān)控焊接軌跡的焊接。? 掃描焊接方式對于汽車中的傳感器電子產(chǎn)品的焊接非常適用。采用 LaserQuipment®焊接系統(tǒng)可以在3秒內(nèi)完成100mm長度的焊接。所有激光防護(hù)裝置和焊接監(jiān)測裝置都集成在這個(gè)焊接系統(tǒng)中，而且還配有一套專用的夾具。?

同步焊接?

　　同步焊接方式是指焊縫同時(shí)被一束或多束激光照射加熱。這種方式?jīng)]有焊縫長度的限制，焊縫也可以不在一個(gè)平面上，只要夾具的壓力沿整個(gè)焊縫能夠均勻的分布即可。? 同步焊接可以很好的完成同一平面上的焊接，但如果是球面的曲線焊接就需要添加額外的光束整形部件，通過調(diào)整和控制這個(gè)分立的光學(xué)部件，可以使激光能量在整個(gè)焊縫長度范圍內(nèi)均勻分布。? 同步焊接方式適合大量生產(chǎn)或焊接時(shí)間短的應(yīng)用。?

復(fù)合光焊接? ?

　　混合光焊接是LPKF公司研發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。采用這項(xiàng)技術(shù)的激光焊接系統(tǒng)成本效益高、無需夾具，可以克服焊接大型的、三維的工件所遇到的尺寸偏差問題。這項(xiàng)技術(shù)采用的是激光和傳統(tǒng)鹵素?zé)舭l(fā)出的紅外光的混合光。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明采用雙重光可以提高焊接速度和焊接尺寸精度。? 混合光焊接技術(shù)不僅僅應(yīng)用在汽車零件（前燈、尾燈和發(fā)動(dòng)機(jī)塑料部件等）的生產(chǎn)上，也可以應(yīng)用在日用品和醫(yī)藥用品的生產(chǎn)上。

激光焊接的優(yōu)點(diǎn)

1.沒有振動(dòng)或超聲波等物理的影響,因此可應(yīng)用于精密部件；

2.非接觸焊接，因此不會(huì)使表面產(chǎn)生熱影響、傷痕或變形；

3.不會(huì)產(chǎn)生粉塵或飛邊等不良現(xiàn)象的一種潔凈工作法；

4.可利用最佳加工條件來獲得很高的接合強(qiáng)度和密閉性；

5.通過縮小激光束可最大限度地減少因熱而引起的影響；

6.樹脂降解少，產(chǎn)生的粹屑少，制品的表面能夠在焊縫周圍嚴(yán)密地連接在一起。

激光焊接的缺點(diǎn)

1.在可用材料方面存在限制（必須通過透射性和吸收性材料的組合來使用;

2.兩種透明材料疊焊時(shí)需要添加吸收器（目前只有進(jìn)口產(chǎn)品，而且價(jià)格很貴）；

影響激光焊接效果的因素

激光焊接工藝介紹

1.激光焊接的條件

(1)激光功率

(2)掃描速度

激光輸出功率是使樹脂熔化的熱源。掃描速度是激光束的移動(dòng)速度。如果要考慮生產(chǎn)率，則加快掃描速度并縮短處理時(shí)間就會(huì)相應(yīng)地提高輸出功率。但如果功率過高，吸收性材料一側(cè)就會(huì)過度分解，從而引起變形。因此，今后將通過基于實(shí)際制品的驗(yàn)證來尋找制品最穩(wěn)定的焊接性能點(diǎn)。

同時(shí)，就材料而言，下面兩點(diǎn)也很重要：

(3)透射性材料的光線透射率

(4)透射性材料的厚度

材料的焊接情況取決于到達(dá)吸收性材料的激光束的能量。因此透射性材料一側(cè)的厚度和光線透射率會(huì)有很大影響。光線透射率越高對焊接就越有利。同樣，越薄也越有利。

塑料激光焊接的相熔型匹配表

焊接強(qiáng)度與激光移動(dòng)速度和激光功率的關(guān)系，激光功率越高，移動(dòng)速度越慢，則焊接強(qiáng)度就越高，見下圖：

塑料激光焊接、超聲波焊接、振動(dòng)摩擦焊接三種焊接方式結(jié)構(gòu)對比

激光焊接案例