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激光塑料焊接技术的研究过程和方法

更新时间  2022-01-12 13:41 阅读

自从激光塑料焊接技术出现以来,人们一直在研究如何利用激光作为材料的加工工具。20世纪70年代,汽车行业开始尝试用激光来加工材料。Marquardt在1998年用半导体激光批量生产电子汽车钥匙,将黑色聚合物(PA)材料的钥匙盖焊接在相同的黑色但是激光透明的PA键外壳上。

按分子结构分类,可分为热塑性、热固性和合成橡胶三类。热塑性材料的激光焊接已得到了广泛的研究和应用。本文从三个方面简述了激光焊接热塑性材料的工艺及其研究进展。


激光焊接的过程和方法:

热塑料材料的激光焊接主要采用激光透射焊。此法对两种材料的焊接性能都有一定的要求,即上热塑层对激光波长透明,下热塑层可吸收激光能量。激光束通过透明的上层材料到达下层材料,该材料的表面由于吸收了激光能量而熔化。这时,分子联接在一定的压力下将两种材料焊接在一起。因为激光是机械接触,所以它聚焦在底层材料表面,产生的热效应是局部的,所以这种方法能够有效地防止焊接材料的机械和热损伤。现在,约20%的热塑性材料是通过激光焊接而成。针对不同的焊接任务和作业要求,大致如下:

弧形激光焊接是目前使用最为广泛的一种简易焊接方法。在焊接过程中,激光通过光学系统和振动镜,使激光光束或激光束静止。焊接目标与激光作用的时间依赖于光束的聚焦尺寸和运动速度,进而影响到焊接时间和焊接效果。它是一种非常灵活的焊接方法,能够完成复杂的三维焊接,在包装工业中有着广泛的应用。

掩模激光焊接是一种基于轮廓焊或同步焊的工艺,其原理类似于晶片制作中的光刻技术。此工艺主要用于复杂的几何焊接图形,最小缝宽度在100微米以上。蒙版通常是由薄片或金属玻璃制成。但是,掩模法的制作比较麻烦,而掩模的设计仅仅是针对焊接几何图形,所以掩模焊的灵活性较低,适用于大批量的焊接加工。

准同步激光焊接是把轮廓激光焊接和同步焊接有机地结合起来。采用高达10m/s的速度,激光束快速地穿过焊缝,反复扫描,使整个焊接区同时熔化,效果类似于同步焊。采用同步熔合工艺,准同步法和同步法同样适用于相邻两个较大间隙的搭桥焊接。

同步激光焊接利用激光束对焊接区域进行照射,大大缩短了焊接处理时间,使搭桥焊接间隙较大的邻接件得以使用。相对于轮廓焊,由于激光作用时间长,同步焊焊接的焊接零件更可靠。

激光焊接技术

二,焊接塑料颜色

基于激光透射焊的原理,决定了激光塑料焊接的色彩匹配问题,是激光塑料焊接的研究课题之一。下面的图表说明了由于不同材质颜色引起的焊接困难。第一,成功实现了透明黑色材料的激光焊接。另外,黑色材料焊接也被广泛采用。

在激光焊接中,CO2激光器用激光焊接,主要是因为其吸收带一般位于紫外光区域。而混合、添加色素可使塑料的光学吸收特性发生很大变化,极大地提高了塑料对可见和近红外材料的吸收。由原来的激光透明材料转变为激光吸收材料,实现了传统的Nd:YAG固体激光器(1064nm和倍频532nm);可以采用高功率的Gaas半导体激光(800-1000nm)和新型的光纤激光进行焊接。着色剂的加入还改变了原始塑料焊接的特性和参数,使之更适合于特殊用途。


三、焊料搭配

研究焊材搭配时应尽量与材料颜色相匹配。TPTP焊接在工业中应用较多的材料是热塑性TPTP焊接。因为激光透射焊接是完全接触的,这些热塑性材料还可以与其它材料焊接。举例来说,具有相同热塑性的合成橡胶,具有热塑性材料的弹性和伸缩性,焊接处理温度、冷却时间等参数与热塑性材料十分相似,采用激光透射工艺进行TPTPE焊接是很容易实现的。因为TPE有很好的手感和摩擦力,TPTPE首先应用于汽车行业生产汽车方向盘。另外,激光透射焊还可以将TPE和TPE进行焊接,形成TPETPE的焊接。

实现塑料、金属、陶瓷材料的激光焊接,是当前最新研究方向之一。举例来说,塑料通过激光间接加热,接触表面融化,然后被金属包住,与金属形成牢固的连接。