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塑料激光焊接的介绍指南

激光是连接板材、薄膜和模具的热塑性塑料和纺织品非常有魅力的工具。它们所具有的特性,能够正确、迅速地将控制能量直接到达所需焊接的正确部位。

激光具有不同的波长,其波长对光与塑料材料的相互作用有很大影响。这个过程的性质取决于塑料的种类,厚度和添加剂的含量。形状复杂,可采用定位分辨率高,宽度小于100μm的激光焊接,因此,可采用不同材料加工设备加工成各种类型的产品,包括导管、微流控制装置、管道、包装、电子产品盒、充气装置等。

 

■塑料类型

热塑性塑料由长链分子聚合物在一定温度以上制成,可重新加工成不同形状或焊接。与其他不能熔化的热固性聚合物不同,热塑性塑料的分子链不是交联的,没有刚性网络。在高温下,分子可以自由移动,材料可以像液体一样流动。工业塑料的熔化或软化温度在120-343℃之间。热塑性塑料可分为半结晶型(外观像牛奶型)和非结晶型(玻璃化型)。半结晶是一些被非结晶材料包围的小结晶。这些结晶体会折射光,改善外观,限制激光辐射的传输。反过来又限制了透射激光焊接的最大厚度。有些塑料可以用两种材料制成,但通常做不到。比如聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚丙烯和聚醚酮,而聚苯乙烯是半结晶的,而聚苯乙烯和聚苯乙烯是聚苯乙烯。

 

1:聚丙烯材料中的激光透射焊接表明,熔融区域非常均匀地影响炭黑填充和未着色均匀的影响,所有剩馀能量都立即被黑色材料表面吸收(图像由TWI提供)

 

 

■激光类型和塑料的相互作用

不同的应用和各种类型的激光的相互作用大大依赖于激光产生的波长,决定了塑料吸收能量的形式。

最常见的激光焊接形式是透射法,在这种情况下,激光束穿过零件上方,到达零件下方的表面,在这里加热,发生熔化。使用的激光波长范围在750-1500nm之间,由二级光、光纤、掺有镍的铝石榴石激光棒(Nd:YAG)激光产生。一般来说,塑料对这种辐射波长的吸收不如紫外线或中红外辐射。这个范围内的能量吸收水平很大程度上取决于塑料中添加剂的使用,塑料是半结晶还是非结晶。如果塑料中不含填料或颜料,激光可以渗透到几毫米的半结晶塑料中,但在无定形塑料中几乎不会衰减。可以通过颜料或填料等添加剂,尤其是炭黑颜料来提高对激光的吸收水平。

自1.6μm以上的波长以来,天然无着色塑料对激光辐射的吸收程度逐渐提高,直到5μm以上的IR其对波长的吸收程度也十分强烈。在光纤激光或掺合-YAG激光产生的波长为2μm的激光中,所有塑料(无论是半结晶还是非结晶)材料是半结晶还是非结晶)材料上方的几毫米处。无需其他能量吸收器的帮助,可直接焊接数毫米厚的片材。这种激光叫做直接激光焊接,因为激光束不需要穿过上面的零件才能到达焊接线。直接激光焊接技术尚未广泛应用于塑料连接,但其潜力很大。

二氧化碳激光是一种成熟的材料加工工具,常用于切割塑料薄膜、片材和织物。二氧化碳激光辐射能量(波长10.6μm)能被各种塑料表层迅速吸收。在激光束指向的地方,首先要加热0.2mm厚的塑料,对于薄的塑料薄膜,即使是功率中等的激光(<1000W),也有望快速加热,快速完成焊接。焊接速度可超过1000m/min。

 

■透射激光焊接

1985年,透射激光焊接技术首次见诸报道,在IR可透射塑料材料的上部和填充炭黑的塑料零件的下部进行。炭黑吸收激光束的能量并加热,在两个零件的界面上形成焊接。一方面,由于零件必须是黑色的,零件必须是黑色的,但仍然是最常用的激光焊接方法。零件的上部必须是激光能量的一部分(通常超过10%),这样下部零件的表面就会优先受热(图1)。图片中两种材料的熔融深度基本相同,说明黑色表面的热点非常集中。黑色表面在零件中就像加热元件一样,为周围零件提供快速加工,尽量减少热损,最大限度减少连接点的变形或污染。

一九九八年激光焊接用替代能量吸收器的到来,使接缝的颜色不再那么明显。一个例子是Clearweld,它是一种IR吸收型颜料,类似于其他可见型颜料,它可以通过喷涂、印刷、垫子、针头或笔对接缝进行涂色,或者添加到接缝下面(图2)。图3是将能量吸收器放置在两个透明PMMA部件连接表面之间而焊接的部件。现在几乎所有的颜色混合都可以通过透射激光焊接技术进行焊接。塑料含量高的填料会产生主要问题,因为上面的部分不允许激光束穿过连接部分。这种情况下,必须减少填料或改变粒径,减少光线的散射或考虑采用其他焊接工艺。


2:用IR吸收器在连接街上进行激光透射焊接。

 

 

透光激光焊接的应用领域包括:医疗器械、包装、汽车零件、消费品、电子包装、纺织品。

这种技术在纺织品中的应用非常有趣。该工艺为仅连接表面而不是外表面的纺织品提供了新的焊接方法。这样,一些纤维就不会熔化,织物的强度也不会改变,通常柔韧性也不会改变。图3:用IR吸收器焊接透明PMMA的容器。激光束导向容器壁下方,焊接痕迹几乎看不见。

该工艺还延伸到纤维增强聚合复合材料中,其中复合基材经激光源加热熔融,纤维增强材料在此过程中保持不变。

透射激光焊接可用于玻璃纤维和聚合物纤维增强复合材料和填充剂含量低的基材。使用碳纤维,或者基材为黑色,或者填充剂的使用量高的情况下,可以使用直接激光焊接方法,不需要激光束通过零件。

 

 

■直接激光焊接

当激光能量未经选定的辐射波长或材料类型穿透时,就会在塑料上表面熔化。相应的连接方法叫做直接激光焊接。二氧化碳激光首先用于这个过程。薄膜的焊接有望达到很高的速度。可见各种塑料薄膜以1200m/min的速度焊接的例子。通过控制激光束的功率分配,可以切割两个相互接触的塑料薄膜,同时在切割边缘留下焊接区域,从而在包装或制袋过程中完成切割/密封。

图4:67W1940nm配合光纤激光以4.5m/min的速度焊接,PMMA熔融深度达到3mm。

对于厚度为0.2-5毫米的塑料,传统的焊接(图4)和其他类型的焊接(图4)可以用波长为2-3μm的激光源连接。不需要额外的吸收器,但要控制塑料的透射性,保证焊接质量稳定一致。

 

 

■总结

高分子产品可采用各种加工机制(辐射波长与材料相匹配)和不同类型的设备,如龙门架、机器人、扫描器或固定二级管阵列进行激光焊接。该激光提供高效能源,精确加热,局部熔化。焊接工作速度快,强度高,外形美观。

采用非常紧凑的二级管和光纤激光源,可以获得高效的焊接工艺,易于实现高水平的自动化,该技术广泛应用于各种工业领域和产品类型。



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