塑料激光焊接機的原理和工藝

塑料激光焊接機原理

　塑料的激光焊接是一種透射式焊接工藝。因為許多熱塑性塑料對于可見光和近紅外光具有較好的光學穿透性，這樣激光就可以穿過上層材料到達焊接面，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。因為許多熱塑高聚物對于可見光和近紅外光具有較好的光學穿透性，這樣激光就可以穿過上層材料到達焊接面，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，在這個范圍內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到更高級別的功率。激光的波長可以根據(jù)特殊要求來設計。半導體激光器的波長一般是808～980μm。半導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。塑料激光焊接技術對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內的材料，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行疊焊時更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達到目的。

　　(3)吸收劑

　　吸收劑的應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是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實現(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，碳黑能夠將紅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，不同的應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行相對移動而完成的焊接，相對移動通過旋轉軸、線性軸或者機器人來完成，隨著路徑的前進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，可以進行復雜的，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)生膨脹變形會導致焊接零件產(chǎn)生尺寸偏差。? 輪廓焊接主要應用于形狀對稱的接縫的轉動焊接或不允許有飛濺和殘渣的大型零件的焊接。?

掃描焊接?

　　電鏡掃描的焊接方式結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的速度更快。這種方式可以同時加熱融化整個焊縫，從而對焊縫的加熱更加均勻，還可以補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電鏡的方法來實現(xiàn)較大零件的焊接。掃描焊接不能進行復雜的三維焊接，它適合焊接時間短、小型零件的焊接或為了質量控制需要監(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秒內完成100mm長度的焊接。所有激光防護裝置和焊接監(jiān)測裝置都集成在這個焊接系統(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平面上，只要夾具的壓力沿整個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，通過調整和控制這個分立的光學部件，可以使激光能量在整個焊縫長度范圍內均勻分布。? 同步焊接方式適合大量生產(chǎn)或焊接時間短的應用。?

復合光焊接? ?

　　混合光焊接是LPKF公司研發(fā)的一項新技術。采用這項技術的激光焊接系統(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。這項技術采用的是激光和傳統(tǒng)鹵素燈發(fā)出的紅外光的混合光。實驗已經(jīng)證明采用雙重光可以提高焊接速度和焊接尺寸精度。? 混合光焊接技術不僅僅應用在汽車零件（前燈、尾燈和發(fā)動機塑料部件等）的生產(chǎn)上，也可以應用在日用品和醫(yī)藥用品的生產(chǎn)上。

激光焊接的優(yōu)點

1.沒有振動或超聲波等物理的影響,因此可應用于精密部件；

2.非接觸焊接，因此不會使表面產(chǎn)生熱影響、傷痕或變形；

3.不會產(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密地連接在一起。

激光焊接的缺點

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需要添加吸收器（目前只有進口產(chǎn)品，而且價格很貴）；

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速度。如果要考慮生產(chǎn)率，則加快掃描速度并縮短處理時間就會相應地提高輸出功率。但如果功率過高，吸收性材料一側就會過度分解，從而引起變形。因此，今后將通過基于實際制品的驗證來尋找制品最穩(wěn)定的焊接性能點。

同時，就材料而言，下面兩點也很重要：

(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吸收性材料的激光束的能量。因此透射性材料一側的厚度和光線透射率會有很大影響。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

焊接強度與激光移動速度和激光功率的關系，激光功率越高，移動速度越慢，則焊接強度就越高，見下圖：

塑料激光焊接、超聲波焊接、振動摩擦焊接三種焊接方式結構對比

激光焊接案例