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0431-81702023
光学工程
激光焊接应用于新材料

激光焊接作为一种熔接塑料制品的技术,主要用于连接敏感性的塑料制品,例如线路板、塑料零件电子感应器、复杂形状的塑料制品,以及医疗器械等要求严格密封及洁净度的塑料制品。
激光焊接原理
利用激光焊接技术进行两件塑料部件焊接时,首先需要把部件夹紧在一起,然后以波长为810 ~ 1064 nm的近红外线激光NIR透射过第一个部件,激光透射后被第二个部件吸收,所吸收的近红外线激光化为热能,将两个部件的接触表面熔化形成焊接区。激光焊接工艺能够制造出超过原材料强度的焊接缝。 
塑料激光焊接常用焊接方法
在实际应用中,塑料激光焊接有几种不同的焊接工艺方不法。
顺序型周线焊接(Contour Welding):激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化,将塑料层逐渐粘结在一起;或者将被夹层沿着固定的激光束移动达到焊接的目的。
同步焊接(Simultaneous Welding):来自多个二极管激光器的激光束,通过光学元件将激光束整形,激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上,同时在焊缝处产生热量,从而使整个轮廓线同时熔化并粘结在一起。
扫描焊接(Scan Welding): 扫描焊接又称准同步焊接,扫描焊接技术综合了上述顺序型周线焊和同步焊接两种焊接技术。利用反射镜产生高速激光束(至少10 米/秒的速度),沿着待焊接的部位移动,使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。
照射掩膜焊接(Mask Welding)。激光束通过模板进行定位,熔化并粘结塑料,模板只暴露出下面塑料层上面积一个很小的精确的焊接部位,激光束仅对制品上没有被掩膜遮住的部分加热。使用这种技术可以实现低至10微米的高精度焊接。
塑料激光焊接的优势
激光焊接应用于塑料部件熔接的优点包括:
·   焊接精密、牢固和密封(不透气和不漏水),焊接过程中树脂降解少、产生的碎屑少,制品的表面能够在焊缝周围严密地连接在一起。激光焊接没有残渣的优点,使它更适用于国家食品药品监督管理局管制的医药制品及电子传感器等。
· 易于控制,可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件。由于激光便于计算机软件控制,而且光纤激光器输出可灵活地达到零件各个细微部位,采用激光焊接能够焊接其它焊接方法不易达到的区域,焊接具有复杂外形、甚至是三维几何形状的制品。
· 与其他熔接方法比较,激光焊接大幅减少制品的振动应力和热应力。这意味着制品或者装置内部组件的老化速度更慢,可应用于易损坏的制品。
能够焊接许多种类不同的材料。例如,能将透过近红外激光的聚碳酸脂(PC)和30%玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二脂(PBT)连接在一起,而其它的焊接方法根本不可能将两种在结构、软化点和增强材料等方面如此不同的聚合物连接起来。

塑料激光焊接应用 激光焊接是一项无振动焊接技术,因此它特别适合用于鼠标、移动电话、连接器等加工精密的电子元器件,以及那些需要以更清洁的方式来熔接的复杂部件,例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。
在汽车工业中,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,如自动门锁、无钥匙进出设备、燃油喷嘴、变档机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、前灯和尾灯等。其它汽车方面的应用还包括进气管光歧管的制造以及辅助水泵的制造。 在医学领域,激光焊接技术可用于制造液体储槽、液体过滤器材、软管连接头、造口术袋子、助听 器、移植体、分析用的微流体器件等。 
激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,它沿着薄膜的边缘移动,通过粘接作用形成一个包装用的封体结构。操作过程可以完成的非常快。TWI的资料显示,使用100 W的二氧化碳激光,可以每分钟100米的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。
新材料激活激光焊接应用
研究表明,聚合物对近红外线激光的透射率至少达到20-50%,采用激光焊接技术才能获得优良的焊接效果。绝大多数本色塑料和很多有色半透明塑料,都能够达到此透光率要求,换句话说,激光焊接可以应用于绝大部分塑料。
另一方面,塑料对近红外线激光的吸收率也是影响激光焊接效果的重要因素。大多数热塑性塑料可通过加入适量的炭黑,大幅提高其对激光的吸收率,但是对一些材料而言,激光焊接的应用还存在一定局限性。例如,如果两种材料均为透明或者白色,近红外线激光都能透射通过,致使材料对近红外线激光的吸收极低,在这种情况下即不能采用激光焊接。另一个典型例子是PPS和LCP塑料,两种材料对近红外线激光的透射率很低,若光两种材料同时填充炭黑,则由于激光无法穿透而无法激光焊接。此外,许多矿物填充的化合物,也不适宜用激光来焊接。
为克服激光焊接的这些局限性,一些塑料生产商积极研究开发有助于改善激光透射率及吸收率的新材料,并取得了可喜的进展,为激光焊接技术带来更广阔的应用前景。
Clearweld激光焊接工艺
Clearweld激光焊接工艺是Gentex公司的一项专利技术,其关键在于大大提高了激光能量吸收的新材料。一般塑料激焊接中,常采用在熔接部件中添加碳黑的方法以增加熔接部件对近红外线激光吸收,然而,碳黑的使用限制了塑料制品的色彩。Clearweld工艺则采用了极易吸收近红外线激光的无色Clearweld材料(净焊材料),通过在待焊接部件表面涂敷一层极薄的Clearweld材料,或者将Clearweld材料混合于将要模注成型的树脂中,在激光焊接过程中,Clearweld材料作为Nd:YAG或二极管激光器的焦点,将激光能量高效转换为热量,以加热熔接基底材料,实现快速高质量焊接。
采用波长为808 nm至980 nm的近红外二极管激光器,或波长1064 nm的Nd:YAG激光器进行激光焊时,可以考虑使Clearweld材料。采用吸收剂涂层工艺,应选择940 nm至1064 nm波长激光器,而采用添加吸收剂的树脂,于整个近红外频谱的激光器均可使用。
Clearweld净焊材料吸收剂涂层,可以通过工业喷墨打印机或喷射系统喷到接合面。
Clearweld工艺使可以进行激光焊接的领域得以扩展,各种刚性或软质塑料、透明的或不透的,甚至各种颜色不透明的塑料制品,都可以通过激光焊接进行熔接。
此外,Clearweld工艺还提供了更好的设计、工程及制造灵活性,用户可以选择更丰富的色彩,焊接的实现也更容易、更具经济性。
实际应用中哪种焊接方法最为理想,需要根据产品设计与制造的具体要求、参考“各种塑料焊接工艺比较”而确定。

 


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