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使用近红外激光焊接塑料(塑料红外热焊接)

更新时间  2021-11-18 10:15 阅读

激光器性能和成本效益的改进使其更广泛地用于焊接热塑性塑料。在商业和消费品中越来越多地使用粘合塑料,有望为该应用提供多年的持续增长。


红外激光焊接涉及通过在它们的公共界面局部熔化和融合材料来连接两个部件。与金属一样,热塑性塑料可以被热软化或熔化,但是,焊接金属和热塑性塑料之间存在许多重要区别。金属吸收最常见的激光波长,但它是极好的热导体,在熔化和焊接之前需要非常高的局部温度。相反,许多塑料在这些相同的激光波长下是透明的,并且是众所周知的不良热导体。此外,热塑性塑料在相对较低的温度下会软化或熔化。此外,塑料最好通过达到高度软化状态而不是真正的液态熔体来焊接。

这些差异会影响在塑料中进行激光焊接的方式。大多数塑料焊接应用涉及通过要连接的部件之一传输激光。然后第二部分吸收光,仅在部分之间的界面产生强烈的局部加热和软化。


为了开发“穿透式”焊接应用,有必要了解要连接的塑料的透射/吸收特性。由于成本通常是一个驱动问题,因此大多数塑料焊接是在近红外区域进行的,那里有具有所需功率水平(几瓦到几十瓦)的经济型激光器。材料的近红外 (IR) 吸收特性可以用分光光度计测量,但通常最好只使用激光和功率计。由于吸收并不总是与功率呈线性关系,因此在预期功率水平下测量吸收非常重要。此外,大多数加工车间和工厂现场根本没有分光光度计。

理想情况下,一种材料在激光波长下是完全透明的,而另一种材料将表现出非常高的吸收率。实际上,大多数透明塑料通过一英寸材料的吸收率低于 10%。根据经验,通常可以容忍每英寸厚度高达 20% 的吸收水平。这种吸收量可以产生适度的整体加热,但不会显着影响整个过程。

一旦光线传输到焊接界面,鉴于两个部分必须具有相似的成分才能获得牢固的焊接,我们如何实现高局部吸收?目前最常用的方法是用炭黑填料掺杂第二部分,这会产生非常高的吸收率,而不会显着影响整体强度。


实际问题

在焊接过程中,必须对接头施加压力以将零件固定到位并限制加热的聚合物膨胀。紧密接触还允许热量从吸收材料流入非吸收材料,从而使两者充分软化。通常,40 到 60 psi 之间的夹紧力就足够了,与其他焊接工艺相比,这是相当适中的。通过使用透明材料块(例如玻璃或聚碳酸酯)或使用带有激光束通孔的不透明工具来施加这种夹紧压力。然后通过物理移动部件和/或扫描激光束来创建焊接。

 红外 激光焊接

其他实际考虑因素是零件尺寸和焊接速度。对于搭接接头,激光通常穿过薄材料,理论上,零件尺寸没有明确限制。通常使用适度的焦点(800 µm 光斑直径),并通过简单地平移光束或零件来产生扩展的焊接区域。然而,对于对接焊缝,激光必须穿过透明部分的整个宽度。此外,对于对接焊缝,激光必须同时焊接零件的整个边缘厚度。此外,激光束可以轻松穿过几英寸厚的聚碳酸酯,但对于 PTFE、聚乙烯和聚丙烯等其他塑料,透射率通常仅限于几分之一英寸的零件厚度。根据激光功率、焊接宽度和材料厚度,焊接速度可高达每分钟数十米。

尽管机器人和平移台可以焊接更大的零件,但实际上激光焊接最适合最大尺寸为几英寸的零件。此外,较大的零件需要更高功率的激光器才能达到可接受的焊接时间,但这些激光器的成本抵消了激光焊接的一些优势。

通常,激光束通过光纤传送到焊接夹具。在批量生产相同零件的情况下,这提供了扫描光束的替代方案。具体来说,激光通过一束传递,该束的形状可以直接创建预期焊缝的轮廓。圆形、矩形甚至精致的曲线轮廓都可以通过这种方式产生。

图中 显示了使用 30W、810nm 二极管激光系统焊接的两个透明聚碳酸酯型塑料板(涂有 Clearweld 薄膜)。下图显示了使用 50W 多模 Nd:YAG 激光器的输出密封的亚克力名片夹。上面的一块是透明的,另一块是黑色的。


激光焊接的优点

与其他焊接方法甚至粘合剂相比,塑料的激光焊接具有许多优势。首先,热源和零件之间没有物理接触,因此产品干净,没有碎屑或过热材料。激光焊接只会软化塑料,焊接区域完全被连接的两个部件包围。因此,该过程不会产生烟雾,这可能是一个重要的安全优势。相比之下,许多粘合剂在固化过程中会产生有毒烟雾。激光焊接还具有速度、灵活性和可控性的优势——调节到达焊接区域的能量非常简单。

静态小焊缝通常在不到一秒的时间内完成,薄膜的焊接速度高达每秒几十米;因此,激光焊接与任何替代工艺一样快或更快。因为这是一种光学技术,它提供了最大的设计/重新设计灵活性。此外,激光能量可以精确地引导到焊接部位,几乎没有外围热损伤,使这种技术成为精密零件的绝佳选择。

激光焊接还为可以创建的焊接类型提供了灵活性。通过使用紧密聚焦的短焦距光学器件,该过程可以创建宽达 100 µm 的精细焊缝。或者,使用更高功率的激光器,光束可以散焦以产生 10 毫米宽的焊缝。


激光技术/波长的选择

可以激光焊接各种热塑性塑料,包括聚乙烯、丙烯酸树脂和聚碳酸酯。所有这些材料在整个近红外光谱区域都表现出低吸收。这意味着它们可以与 810–950 nm 波长的直接二极管或1064 nm 的Nd:YAG 和 Nd:YVO 4激光器进行同样良好的焊接。在这两种情况下,最好以 CW 模式而不是脉冲模式操作激光器。这是因为焊接速度最终取决于平均功率和总能量,这两者在 CW 操作中都更高。

根据经验,1064 nm 的二极管泵浦固态激光器比直接二极管激光器提供更高的光束质量。因此,它们是使用振镜直接扫描光束的“精密”应用的最佳选择。在这里,光束可以以高达 6 m/sec 的速度进行扫描。这比塑料的热保持时间更快,因此允许同时产生成型焊缝——塑料经历激光束运动的时间平均值。

直接二极管系统的每瓦成本低于二极管泵浦系统。此外,这些激光器通常采用非常小的封装,这对于集成来说是一个优势。然而,直接二极管激光器从多模光纤输出提供相对较差的光束质量。然后可以使用重新准直和聚焦光学器件将其重新成像到焊接区域中。使用 25mm 焦距镜头,这会产生直径约 600 µm 的典型光斑尺寸。或者,可以将光纤耦合成如前所述的成形束。


概括

总之,使用激光焊接塑料有许多优点。随着固态红外激光器的每瓦成本不断提高,随着需求和用户意识的提高,我们预计这将成为一个重要的应用。