您好!欢迎访问广州莱塞激光设备有限公司官方网站!
专注激光设备15
专业提供激光模切机,激光打孔,激光焊接,自动激光标识
联系方式
18148952675
您当前的位置: 莱塞激光设备 > 新闻动态 > 行业新闻 >

行业新闻

激光焊接在医疗行业技术中的应用

更新时间  2021-06-09 14:44 阅读

塑料之间的连接是非常具有挑战性的。

特别是对于医疗行业,很难找到满足生物相容性要求和FDA批准的粘合剂。此外,许多常用的聚合物,例如PP,PE和PTFE,其表面能低,也导致难以用粘合剂粘接。

粘合剂通常被用作原型制造中的快速、临时的解决方案。然而在后续量产时,塑料焊接则是一种更为经济有效的方案,能够提供一致性好、高强度的焊接,且不需要额外的耗材。

塑料焊接的风险和挑战,往往是由于焊接工艺选择、焊缝设计和测试方法不当,以及零件变形和尺寸偏差造成的。通过采取一步一步的排除分析和改善措施,可以减少或者消除这些问题。

塑料焊接工艺的开发过程遵循以下步骤:

  • 定义问题

  • 选择工艺

  • 接头设计

  • 测试验证

     

一、定义问题

在选择焊接工艺时,前期明确产品材料和性能要求,对工艺选择至关重要。通过早期定义这些,您可以避免后续损失。

在决定焊缝位置或焊接工艺之前,应思考并回答以下问题。

1.强度

载荷方向是什么?将会经历什么样的拉伸或剪切力?

如果可能的话,设计的焊缝应使其工作时尽量承受剪切力,因为塑料焊接在剪切力方向承受的载荷最大。塑料焊接可承受的拉伸载荷次之,可承受的剥离力最弱。如图1所示。

 塑料焊接强度和载荷方向的关系


2.密封

这个产品需要密封吗?如果需要,要承受压强是多少?是气密还是水密?有测试温度要求吗?

对于有密封要求的产品,通常是在要密封的腔室一周设计有闭合的焊接线,以及相应的沟槽或者狭小的缝隙空间,熔化的塑料填充满槽或者缝隙,以实现密封要求。产品的尺寸大小和形状不同,选择的塑料焊接工艺也会不同

3.外观

有什么外观要求吗?“A”面在哪里?允许溢料可见吗?

大多数焊接工艺都有可能产生外观缺陷。然而,这些问题可以通过改善治具和优化焊接参数、或者简化零件表面、或者隐藏焊接面的方式加以限制。如果无法避免,那么需要增加前一道工序(例如烘干)加以预防,或者增加后一道工序(例如去溢料)加以修正,不过这些措施会增加成本。

4.颗粒污染物

产品内是否允许有颗粒物或者松散的溢料?

对于依靠表面摩擦产生热量的焊接工艺,例如旋转焊接和振动摩擦焊接,很难避免不产生颗粒污染物,以及松散的溢料。

颗粒污染物

 5.材料

材料对焊接性能的影响因素,除了材料中的基础树脂特性,还包括各种添加剂,如着色剂、填充剂、冲击改性剂、润滑剂等。这些组成共同影响焊接工艺的选择。例如, 采用激光焊接工艺时,要求上层零件无着色剂,以允许激光穿透传输;下层零件要求添加碳黑,以充分吸收激光能量。

一般情况下,应尽量减少填料含量,以确保有足够的树脂进行焊接,从而保证焊接强度。因此,建议填料含量控制在33%以下。

另外,两个零件必须是材料相容的,即具有相同或相似的熔点和粘度,以保证分子间发生扩散完成焊接。

 

二、选择工艺

常见的塑料焊接工艺对比:

 塑料焊接工艺对比


激光焊接要求在上下零件吸收少量的光能(2um焊接系统),或者在焊接处上层透射-下层吸收光能(1um焊接系统)。能量吸收效率,由所选择的波长,以及树脂与填料在该波长上的透射度决定。

激光焊接示意

激光焊接示意

 

超声波焊接通过因聚合物的粘弹特性而产生的机械振动能量损失,即产生热量来工作。产生超声波振动的模具叫做焊头。焊头与零件接触表面,必须平行于焊接筋,且距离较短(一般<6mm)。此外,在焊接区域及附近,应避免尖角和薄的悬臂结构,防止损坏。

 超声波焊接示意

超声波焊接示意


医疗行业常用塑料的可焊接性能

医疗行业常用塑料的可焊接性能

热板和红外焊接,分别加热两个部件的焊接表面,然后将两个部件合在一起,施加压力以促进分子扩散。在热板焊接中,零件表面与加热工具直接接触,因此适合具有较高粘度的塑料焊接,以避免材料粘在热板上。在红外焊接中,零件表面应避免白色,并添加填料以增加能量吸收效率,减小生产节拍。

 热板焊接示意

热板焊接示意

旋转和振动摩擦焊接通过表面摩擦产生热量以实现焊接。这些运动过程中,接头设计必须适应摩擦运动/振动方向,对于旋转摩擦来说,这意味着焊线设计必须是圆形。对于振动摩擦来说,接头设计必须有足够的侧向间隙,以容纳一定的振动幅度。另外,十分重要的一点,焊筋下方支撑壁必须有足够刚性,在载荷作用下不变形,以实现摩擦生热。

 旋转摩擦(左)和振动摩擦(右)示意

旋转摩擦(左)和振动摩擦(右)示意

高频焊接的工作原理是将高介电损耗的聚合物暴露电磁场中,磁场方向高频交替变化(通常27MHz)。应用于10-50mm厚度的薄材料焊接。可用该工艺的材料非常有限。其中,聚氯乙烯(PVC)是最容易的。

 高频焊接示意

高频焊接示意

 

三、接头设计

在塑料焊接中,接头强度取决于聚合物链在熔体界面上的流动,并在接头处产生分子链纠缠的程度。为了实现这一点,一个合理的焊缝设计非常重要。它可以熔化和塌陷,产生熔体流动。此外,一个良好设计的焊缝,有助于提高加热速率,防止泄漏,隐藏溢料,并帮助上下零件对齐。常见的接头设计。

 常见超声波接头设计

常见超声波接头设计

不同的焊接工艺,通过不同的方式产生热量,加热速率也不相同。好的接头设计实际上可以提高加热速率。例如,超声波焊接通过使用一个称为“三角导能筋”的接头来提高加热速率。旋转摩擦焊接,采用正压力更大的剪切焊缝设计,比采用斜搭焊缝设计的加热速率更快。

采用沟槽焊缝设计,有助于提高密封性能。这种类型的接头,熔体可以停留在沟槽内及侧壁间隙中,从而减少空隙,提高密封性能。然而,在某些情况下,空气可能被困在沟槽中,当被困的空气产生足够的压力在熔体中形成气孔时,会导致泄露。

焊接过程中,从接头处会挤出一定数量的熔料,可通过接头设计来控制。接头两侧增加挡边,隐藏溢料,甚至控制熔体流动方向,侧壁也有助于上下零件的对齐。

 

四、试验验证

焊接结果的好坏,必须要有正确的测试方法和治具来进行评估。如果遵循一些简单的指导方针,焊接强度和气密性很容易测试。

1.强度测试

施加载荷的方向对测试结果至关重要。施加载荷的位置和方向应该和实际工作时载荷保持一致。

确保接头在零件本体破坏前失效。如果测试时,本体材料发生破坏,那么测试无法给出焊接强度的数据,测试方案应该重新设计。

测试整个接头,而不是截取部分进行强度测试。局部测试可能是不准确的,因为其忽视了潜在的一些较高应力的区域。在初始裂纹产生后,其余位置焊缝会在拉力测试中失效。如果只进行局部测试,将忽略这一种失效方式,错误的高估焊接强度。

如果整个接头难以固定进行拉力试验,那么考虑使用爆破压力测试。

2.密封性能测试

定义的测试压力和可接受的泄漏率,是与最终的使用环境和要求相关。常用空气衰减泄露测试仪,分气检和水检。水密检测可以设定不同的水温。

在泄漏测试时不要将人为加大治具压紧力。较大的压紧力导致焊缝接头压缩,将产生人为的低泄漏率。

 

五、结论

对于医疗行业,焊接提供了比粘合剂更好的塑料连接解决方案。这个简单的指南有助于你初步选择焊接工艺。最后,如果有东西本该可以焊接,但是却不能。那么是否可以通过修改来改善?这时候,您需要咨询更专业的塑料焊接专家。我们很高兴帮助回答这一问题。