激光焊接塑料成功的因素有哪些？要考慮什么？

在工程塑料的各種加工中，工業(yè)激光器得到了廣泛的應(yīng)用，服務(wù)于許多行業(yè)市場(chǎng)。一些常見(jiàn)的塑料加工應(yīng)用包括激光打標(biāo)、激光切割和激光焊接。在汽車(chē)和醫(yī)療器械領(lǐng)域，激光焊接主要用于汽車(chē)和醫(yī)療器械。

為什么塑料要選擇激光焊接?

與傳統(tǒng)的接觸焊接相比，激光塑料焊接具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，激光焊接是無(wú)接觸焊接;其次，焊點(diǎn)通常位于兩個(gè)重疊件的接口處，焊接區(qū)域隱藏，看起來(lái)很漂亮，不會(huì)污染焊接部件的表面。因此，從外觀上看，無(wú)法判斷兩個(gè)接觸部件是從上到下焊接在一起的。

超聲波或熱沖壓等傳統(tǒng)塑料焊接技術(shù)不可避免地會(huì)影響外表面。激光塑料焊接采用激光在聚合物鏈中部分透射、反射、散射和吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。通過(guò)選擇合適的激光參數(shù)，可以在塑料的選擇位置產(chǎn)生足夠的熱量，從而實(shí)現(xiàn)熔化和粘接。

激光焊接技術(shù)應(yīng)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期建立。有些塑料產(chǎn)品不是專(zhuān)門(mén)為激光焊接開(kāi)發(fā)的，有時(shí)可以用激光焊接;但是，如果在塑料產(chǎn)品研發(fā)的早期階段考慮激光焊接技術(shù)，激光焊接中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題就會(huì)大大減少。

塑料制品具有優(yōu)良的機(jī)械、幾何、熱力學(xué)和光學(xué)特性(見(jiàn)圖1)，因此塑料制品的激光可焊性由以下因素決定：

所選材料是否適合?適應(yīng)性是指在熔化溫度、化學(xué)性能、機(jī)械特性、幾何學(xué)和光學(xué)屬性方面，焊接的兩種塑料是否適合焊接在一起。

在焊接區(qū)域，激光束能否通過(guò)上層塑料有效地傳遞到交界面，以及底層塑料能否吸收激光能量產(chǎn)生熱量?

在焊接過(guò)程中，零件能否有效貼合，施加的力能否控制?零件的幾何形狀能否在不產(chǎn)生間隙的情況下很好地貼合零件?

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

與化學(xué)性質(zhì)相適應(yīng)的熱力學(xué)

塑膠的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于金屬。工程塑料的熔點(diǎn)大約是250°C。一些塑料的熔點(diǎn)較高，如聚醚醚酮(PEEK)，熔點(diǎn)在350~400℃它們之間。當(dāng)兩種塑料的熔點(diǎn)溫度相匹配時(shí)，有助于熔池的混合，提高再凝固時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度。兩種與熔化溫度相匹配的塑料特別適合激光焊接。

另外，塑料的化學(xué)成分也是一個(gè)重要的影響因素。舉例來(lái)說(shuō)，雖然高密度聚乙烯(HDPE)低密度聚丙烯(PP)屬于同族材料，但這兩種塑料不能焊接在一起。低密度聚乙烯(LDPE)可以和聚丙烯一起焊接。所以激光塑料焊接必須考慮焊接材料的組合。

光學(xué)性質(zhì)匹配

材料加工中使用的激光是單色或帶寬非常窄的相關(guān)聚焦光束，波長(zhǎng)為800.nm~2μm近紅外和紅外激光廣泛應(yīng)用于塑料焊接。這些波長(zhǎng)比人眼可見(jiàn)的532nm的綠光及635nm紅光要長(zhǎng)。激光波長(zhǎng)為800~2000nm在這一范圍內(nèi)，焊接塑料必須具有一定的透射性和吸收性。

塑料一般為半晶體結(jié)構(gòu)，包括晶體相和非晶體相。激光照射塑料時(shí)，非晶體和晶體之間的折射率差異不僅會(huì)導(dǎo)致透射和吸收，還會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生散射和反射。半晶體結(jié)構(gòu)對(duì)焊接的影響主要取決于激光的散射和反射強(qiáng)度。因此，通過(guò)有效的光學(xué)設(shè)計(jì)，激光可以通過(guò)上層塑料吸收下層塑料(見(jiàn)圖2)。有時(shí)需要在塑料中加入添加劑，以提高激光的吸收能力。在塑料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮添加劑是否合適——例如，添加劑是否適用于醫(yī)療器械FDA測(cè)試?

　　圖2：理想的激光傳輸和吸收模型在塑料焊接中

　　有些塑料中含有玻璃纖維(例如聚酰胺PA-66.一般稱(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，激光透射率較低。

塑料焊接的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是:什么顏色的塑料可以焊接在一起?這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有統(tǒng)一的答案。事實(shí)上，許多顏色組合的塑料可以焊接在一起。

此外，同一種顏色的塑料，如透明塑料、白色塑料和黑色塑料之間的激光焊接，也可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)的塑料成分來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)光一般不能通過(guò)彩色塑料，但單色波長(zhǎng)的激光可能通過(guò)。

組裝和固定零件

塑料零件應(yīng)保證塑料形成一定的幾何形狀，并通過(guò)組裝零件的良好配合，使其適合激光塑料焊接，并保證接頭能夠充分貼合。因?yàn)榧す獠蝗菀自诳諝忾g隙中傳遞熱量，所以在激光焊接過(guò)程中，零件的焊接部分應(yīng)保持充分的接觸。搭接焊就是一個(gè)很好的例子。在某些情況下，對(duì)接焊也可以達(dá)到良好的焊接質(zhì)量，這在很大程度上取決于激光束如何作用于焊接，以及塑料成型機(jī)產(chǎn)生的零件公差。將蓋子焊接到容器上是一個(gè)很好的零件配合案例。

對(duì)于焊接復(fù)雜的零件來(lái)說(shuō)，在焊接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)向下的力是必不可少的，尤其是對(duì)于那些難以在其邊界自然組裝的大型零件。夾緊力可以由伺服驅(qū)動(dòng)，也可以由氣動(dòng)夾緊產(chǎn)生。塑料焊接時(shí)有坍塌力，這決定了塑料在受熱熔化變形前能承受多大的力，以及在熔化過(guò)程中將零件推到一起需要多大的力。通常，在激光塑料焊接過(guò)程中，焊接過(guò)程中施加在零件上的力由集成力-位移傳感器監(jiān)測(cè)和控制。

熱量得到有效控制

對(duì)于激光焊接，有很多方法可以將激光傳輸?shù)焦ぜ?。這里簡(jiǎn)單介紹幾種方法。首先，保持激光焊接頭固定，XYZR與激光頭相比，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在開(kāi)始、停止和改變方向時(shí)需要加速，大型零件在焊接過(guò)程中可能不會(huì)均勻加熱。但是，這種焊接方法非常靈活，因?yàn)榧す饴窂娇梢酝ㄟ^(guò)CAD數(shù)據(jù)生成。

第二種方法是使用高速振動(dòng)鏡使激光束為10.m/s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)焊縫幾乎瞬間從一端加熱到另一端，加熱相對(duì)同步均勻。

第三種方法是用激光通過(guò)掩膜照射零件。這種方法需要覆膜孔徑與焊縫形狀一致。每當(dāng)焊縫形狀發(fā)生變化時(shí)，覆膜都要重新制作，所以這種方法不靈活。

第四種方法使用率不太高。它使用特殊的激光鏡頭來(lái)產(chǎn)生線性焦點(diǎn)，并在規(guī)定的方向上縫合焊縫。激光功率可能需要在焊接過(guò)程中控制，焊接過(guò)程中的工件溫度可以通過(guò)高溫計(jì)測(cè)量，這些信息可以反饋給激光控制器的功率控制電路。

總結(jié)

本文介紹了激光塑料焊接過(guò)程中的一些基本考慮因素。最重要的是，塑料產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)必須適合激光焊接——這就要求R&D團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期要與客戶(hù)合作，充分了解激光焊接的要點(diǎn)。復(fù)雜塑料產(chǎn)品的模具制造成本很高，模具設(shè)計(jì)師必須提前了解激光焊接中存在的模具設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題。通過(guò)解決模具問(wèn)題，可以保證從模具上下來(lái)的塑料零件的幾何形狀可以直接進(jìn)行激光焊接。

從汽車(chē)燈組件到噴墨打印機(jī)墨盒等各種大批量產(chǎn)品的制造，激光塑料焊接在工業(yè)上的應(yīng)用日益深入。