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激光焊接塑料指南

  对于连接板材、薄膜和模制热塑性塑料和纺织品而言,激光是一种非常有吸引力的工具。它们所具有的特性,使得其可以精确、快速地将受控能量直达所需焊接的准确部位。激光有不同的波长,而波长对光与塑料材料之间的相互作用有很大的影响。这一过程的性质取决于塑料的类型、厚度和内含的助剂。复杂的形状可以用定位分辨率高、宽度低于100 μm的激光焊接,因此,可用不同材料加工设备加工成门类非常广泛的产品,包括导管、微流控装置,管子、包装、电子产品用盒、充气装置等。

 

  塑料类型

 

  热塑性塑料由长链分子聚合物材料在高于一定温度下制成,并可以重新加工成不同形状或进行焊接。与不能熔融的其它热固性聚合物不同的是,热塑性塑料的分子链不是交联的,没有刚性的网络。在高温时,分子可以自由运动,材料可以像液体一样流动。工业塑料的熔融或软化温度介于120–343℃之间。热塑性塑料可能会分裂成半结晶型(外观像牛奶状)和非结晶型(玻璃化状)类。半结晶类是一些由非结晶材料环绕的小结晶体。这些结晶体会折射光,提升外观,并限制激光辐射的传输。这反过来又限制了透射激光焊接的最大厚度。一些塑料可用两种类型的材料制成,但通常情况是做不到的。诸如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)和聚醚醚酮(PEEK)是半结晶的,而聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)则是非结晶材料。

  

 

  图1:聚丙烯材料中的激光透射焊接显示,熔融区域可以非常均匀地影响炭黑填充和未着色的塑料,表明所有剩余能量在黑色材料表面被立即吸收(图片由TWI 提供)。

 

  激光类型及与塑料的相互作用

 

  不同应用与每一种类型的激光的相互作用很大程度上取决于激光产生的波长,它决定了塑料吸收能量的形式。

 

  激光焊接最常见的形式是透射法,在这种情况下,激光束穿过部件上方,到达下方部件的表面,在此处加热、发生熔融。所用的激光波长范围介于750-1500 nm,由二级光、光纤、掺铷钇铝石榴石激光棒(Nd:YAG)类激光产生。 总体上,塑料对这种辐射波长的吸收不如紫外光(UV)、或中红外(mid-IR)辐射。这一范围内的能量的吸收水平很大程度上取决于塑料中助剂的使用情况,以及塑料是半结晶型的还是非结晶型的。如果塑料中不含填料或颜料,激光可以多渗透进半结晶型塑料几毫米,而在无定形塑料中则几乎不会衰减。可通过颜料或填料等助剂,特别是炭黑类颜料等提高对激光的吸收水平。

 

  从高于1。6μm的波长开始,天然无着色塑料对激光辐射的吸收水平逐步提高,直至超过5μm的IR,它对波长的吸收非常强劲。对于由光纤激光或掺铥-YAG激光生成的波长为2 μm的激光,从激光束发出的能量存留在所有塑料(不管是半结晶还是非结晶)材料上方几毫米处。不需要其它能量吸收器的辅助,即可直接焊接几毫米厚的片材。这种激光被称为直接激光焊接,因为激光束不需要穿过上方部件到达焊接线。 直接激光焊接技术还没有广泛用于塑料连接,但潜力广泛。

 

  二氧化碳(CO2)激光是一种成熟的材料加工工具,常用于切割塑料薄膜、片材和面料。二氧化碳激光辐射能量(波长10.6 μm)可被所有类型的塑料表面层迅速吸收。能量在激光束指向的地方首先对0.2mm厚的塑料进行加热,对于薄的塑料薄膜,即便是功率中等的激光(<1000 W),也有望迅速加热并快速完成焊接。 焊接速度可以超过1000 m/min。

 

  透射激光焊接

 

  透射激光焊接技术于1985年首次见诸报道,在IR可透射塑料材料的上层部位和炭黑填充的塑料部件的下层进行。炭黑吸收激光束的能量并受热,在两个部件的交界面形成焊接。这一工艺一方面因为部件必须为黑色而受到局限,但依然是最常用的激光焊接方法。部件的上方部位必须将激光能量的一部分(通常超过10%即可),这样,下方部件的表面而不是上方部件的上层表面会优先受热(图1)。这张图片上两种材料的熔融深度基本相同,表明黑色表面受热点是非常集中的。黑色表面在部件中就像是加热元件一样,为周边部件提供了快速加工、尽可能小的热损害,最大程度减少了连接点的变形或污染。

 

  1998年激光焊接用替代型能量吸收器的到来使得连接处的颜色不再那么明显。实例之一是Clearweld,它是一种IR吸收型颜料,与其它可见型颜料类似,可通过喷涂、印刷、垫子、用针或笔对连接线进行涂色,或者添加到下方的部件(图2)。图3为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成的部件。几乎所有颜色混合现在都可以通过透射激光焊接技术焊接。填料含量高的塑料会出现主要的问题,因为上方部件不允许激光束穿过连接部位。在这些情况下,必须减少填料或者改变粒径,降低光的散射或考虑采用其它焊接工艺。  

  图2:在连接街面上用IR 吸收器进行透射激光焊接。

 

  透射激光焊接应用领域包括:

 

  ◆医疗器械

 

  ◆包装

 

  ◆汽车部件

 

  ◆消费产品

 

  ◆电子封装

 

  ◆纺织品

 

  这种技术在纺织品上的应用非常有意思。该工艺为只是连接表面而不是熔融外表面的纺织品提供了一种新的焊接办法。这样,部分纤维保持不熔融,面料的强度保持不变,通常情况下柔韧性也不变。图4所示为防水夹克的设计,其中,在防水面料复合层进行连续而气密的重叠焊接。 这就为防水服装、个人防护服装和其它纺织服装的进一步自动化开启了潜力。

  

 

  图3:用IR 吸收器将透明PMMA 焊接成的容器。激光束被导向容器壁的下方,几乎看不见焊接的痕迹。

 

  这一工艺还被延用至纤维增强聚合复合材料,其中,复合材料的基材经激光源加热、熔融,纤维增强材料在这一过程中保持不变。

 

  透射激光焊接可以用于玻纤或聚合物纤维增强复合材料,以及填料含量不很高的基材。如果使用了碳纤维,或者基材呈黑色,或填料用量很高,可用直接激光焊接方法,而不需要激光束穿过部件。  

 

  图4:这种防水外套的设计带有激光焊接缝, 与针线缝合或防水接缝的防水技术相比,效率更高(图片由TWI 提供)。

 

  直接激光焊接

 

  当激光能量没有经过选定的辐射波长或材料类型而穿透物质,就会在塑料上部表面开始熔融。相应的连接方法被称为直接激光焊接。CO2激光首先被用于这一过程。薄型薄膜的焊接有望达到很高的速度。可看到各类塑料薄膜以高达1200 m/min的速度焊接的实例。通过控制激光束在功率分配来切割相互接触的两块塑料薄膜,同时在切割边缘留下焊接的区域,从而同时完成包装或制袋过程中的切割/密封加工。

  

 

  图5:用67 W 1940 nm 掺铥光纤激光器以4。5 m/min 的速度焊接,在PMMA 中的熔融深度达到3mm

 

  对于厚度介于0.2-5 mm的塑料,可用波长为2-3 μm的激光源进行传统的对焊(图5)和其它类型的连接。不需要额外的吸收器,但应控制塑料的透射性能,确保焊接质量稳定一致。

 

  总结

 

  聚合物产品可以用各种加工机制(辐射波长与材料相匹配)及不同的设备类型如龙门架、机器人、扫描器或固定二级管阵列进行激光焊接。激光提供了高效的能量源,进行精确的加热和局部的熔融。焊接以很快的速度完成,且强度高、外观漂亮。

 

  通过采用非常紧凑的二级管和光纤激光源可获得高效的焊接过程,从而很容易实现高水平的自动化,因此,这种技术被广泛应用于各种工业领域和产品类型中。

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