浅谈热塑材料激光焊接技术

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  自从激光问世,人们就开始研讨怎么样把激光作为工具来对材料进行加工。早在上个世纪70年代,汽车工业就开始测验考试用激光来进行材料加工。在工业上第一个用激光进行塑料焊接实际应用的是1998年Marquardt公司用半导体激光器批量制作电子汽车钥匙,黑色聚合物(PA)材料的钥匙盖子被焊接到同样是黑色但对激光波长透明的PA钥匙壳上。

  按照分子结构塑料可分为三种:热塑材料,热固材料和合成橡胶。当前对热塑材料激光焊接的研讨和应用比较多,下面咱们就从三个方面简单陈述针对热塑材料的激光焊接技术和研讨进展。

浅谈热塑材料激光焊接技术

  一.激光焊接的流程和方法

  激光对热塑材料的焊接主要是选用激光透射焊接的方法。此方法对被焊接的两种材料性质有一定的要求,也就是上面的热塑层对选用的激光波长是透明的,而下面的热塑层能接收激光能量。激光束透过透明的上层材料达到基层材料,基层材料的表面因接收激光能量而溶化,此时在一定的压力下两种材料经过分子联接而被焊接在一起。因为激光是非机器接触的聚焦在基层材料的表面,激光引发的热效应是局域的,所以此方法可防止对被焊接材料的机器和热损伤。当前热塑材料总加工的20%左右是基于激光焊接的。

  按照不同的焊接工作和要求激光焊接的流程大抵有以下几种。

浅谈热塑材料激光焊接技术

  表面焊接            掩模焊接          准同步焊接            同步焊接

  表面焊接是最简单,当前使用最广的焊接流程。在焊接时激光束经过光学系统和振镜在被焊接的物体上移动或激光束静止而被焊接物体移动。激光与被焊接物体之间的相互作历时间取决于光束核心尺寸和移动速度,既而影响焊接时间和功效。表面焊接是一种非常灵活的焊接流程,可实现复杂的三维焊接,在包装行业里有广泛的运用。

  掩模焊接是一种借助掩模,基于表面焊接或着同步焊接方法的流程,其原理与芯片制作上的光刻技术类似。这种流程主要使用于复杂的几何焊接图案上,最小接缝宽度大于100μm。掩模常常是由薄片或金属化的玻璃制成。因为制作掩模比较烦琐,所做的掩模只针对一个焊接几何图案,所以掩模焊接常常缺乏灵活性,但合适大量的焊接加工。

  准同步焊接是一种把表面焊接和同步焊接结合起来的流程。激光束经过振镜以极快的最高达10m/s的速度在焊缝上移动而且多次重复扫描,让全部焊接区域同时溶化,功效与同步焊接类似。经过同步溶化过程让准同步焊接和同步焊接方法同样合适于具备大裂缝的两个相邻部件的搭桥焊接。

  在同步焊接中激光束同时照射焊接区域,从而明显降低了焊接处理时间,并容许搭桥焊接具备大裂缝的两个相邻部件。与表面焊接相比较因为更长的激光作历时间使经过同步焊接方法焊接的部位更加牢靠。

  二.焊接塑料的颜色

  激光塑料焊接其中的一个研讨课题就是两个被焊接部件的颜色搭配,这是由所选用的激光透射焊接的原理所决定的。下图显示了因材料颜色的不同而造成的焊接难易程度。首先成功实现的是透明色–黑色材料的激光焊接。另外黑色–黑色材料的焊接也已广泛使用。

浅谈热塑材料激光焊接技术

  因为构成塑料的高分子的本怔接收带普遍位于紫外和远红外区域,所以最初只要CO2激光器被用在激光焊接的研讨。但是经过掺杂和增加色素可极大地改变塑料的光学接收特性,从而使塑料在可见光和近红外区域的接收极大增强,由本来激光透明的材料变成激光接收材料,这样传统的Nd:YAG固体激光器(1064nm和倍频532nm)和大功率GaAs半导体激光器(800nm-1000nm)乃至新型光纤激光器均可以被用作激光焊接的光源。色素掺杂同时也改变了原来塑料焊接的特性和参数,使之更合适于某种特殊应用。

  三.被焊接材料的搭配

  与材料颜色搭配几乎同时进行研讨的是焊接材料的搭配。当前在工业上选用激光焊接的材料大部分是热塑材料(Thermoplastic,TP),构成TP–TP焊接。因为选用的激光透射焊接是非接触性的,所以这些热塑材料也可以与其他材料焊接到一起,比如同样具备热塑性的合成橡胶(ThermoplasticElastomer,TPE)。具备热塑性的合成橡胶因为同时具备热塑材料的热塑性和合成橡胶的弹性和伸缩性,而它的焊接处理温度和冷却时间等参数又与热塑材料非常类似,所以用激光透射焊接的方法可容易实现TP–TPE焊接。因为TPE的手感和摩擦性好,所以TP–TPE焊接在汽车工业上的第一个应用就是制作汽车方向盘。另外,TPE和TPE也可经过激光透射焊接的方法被焊接到一起,构成TPE–TPE焊接。



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