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激光塑料焊接应用

1. 概述

激光是一个非常有效的工具,用于连接薄板,薄膜,热塑性塑料和织物。其最大特点是迅速将可精确调控的能量准确的传递到所需加热的点位。激光输出覆盖一系列波长。不同波长的激光与塑料的相互作用各不相同。激光焊接工艺还受到塑料类型、颜色、厚度和添加剂的影响而变化。

因其高分辨率定位和小于0.1mm宽的焊点,使得激光适用于各种各样的应用,包括医用导管、微流控制设备、包装、电子产品等。

2. 塑料类型

热塑性塑料是由长链分子制成的聚合物材料。在一定的温度以上,热塑性塑料可以进行重塑或焊接。与不能熔化的热固性塑料不同,热塑性塑料中的分子链不产生交联。在高温下其分子可以自由移动,即材料以液体的形式流动。工程塑料的熔化或软化温度在120-343℃范围内。

热塑性塑料可分为半结晶(多数呈乳白色外观)和非结晶(无定形)两种类型。半结晶型是由结晶颗粒和非结晶颗粒组合而成。结晶颗粒散射光,限制了激光辐射的传输效率。因此,也反过来限制了半结晶塑料激光焊接的最大厚度。塑料中如PE、PP、尼龙PA和PEEK是半结晶塑料,而PC、PMMA和PS是非结晶塑料。

3. 激光类型及其与塑料相互作用

因为激光的波长决定了其在塑料中能量传递和吸收的形式,所以不同类型激光的应用场景非常依赖其光的波长。

图1 光类型
图2 红外类型定义

最常用的激光焊接方法是“透射焊接”。激光束通过上层透射材料传输,然后被下层材料表面吸收,在界面处产生热量并熔化。上下层材料对激光能量的吸收差异,是通过对下层材料增加添加剂(例如碳黑)或者表面涂层实现。其使用的激光器波长在0.75-1.5um范围内,可分为半导体、光纤、YAG三种类型。通常,相比较紫外线(UV)和中红外(Mid-IR),波长0.75-1.5um红外激光在塑料中吸收并不容易。其吸收能力取决于塑料中添加剂以及材料类型(半结晶还是无定形)。如果塑料没有填充剂或者颜料,激光可以穿透几毫米的半结晶塑料,几乎完全穿透无定形塑料。通过增加添加剂,例如填料和颜料,来提高吸收能力。

天然未着色塑料容易吸收波长从1.6um到5um以上的红外,尤其对5um以上的红外有很强的吸收能力。在波长在2um的情况下,其激光器是光纤激光器或者YAG类型,光束能量会沉积在所有塑料(包括半结晶和无定形)顶端几毫米处。利用这个特点,可以焊接厚度不超过几毫米的塑料板材,而无需添加剂。该过程称为“直接激光焊接”,与“透射激光焊接”原理不同。直接激光焊接尚未广泛用于塑料焊接,其典型应用是透明对透明的塑料焊接,具有广泛应用的潜力。

二氧化碳(CO2)激光器是一种成熟的材料加工工具,通常用于切割薄膜、板材和织物形式的塑料。CO2激光波长为10.6um,能够被所有塑料表面迅速吸收。塑料表层0.2mm区域可直接吸收激光能量。这使得快速加热和快速焊接塑料薄膜成为可能,已经证明其焊接速度可超过1000m/min。

所有塑料表面层迅速吸收CO2激光辐射(10.6m波长)。能量在激光指向的前0.2毫米塑料中作为热量传递。这导致快速加热和非常快速的焊接加工薄塑料薄膜是可能的,即使有相当适度的激光功率(<1000W)。焊接速度超过1000米/分钟已被证明。

图3是经过激光透射焊接的PP材料截面,显示熔化区均匀分布在碳黑填充和未着色的塑料表层,表明激光能量被黑色材料表面吸收。

4. 透射激光焊接

在1985年首次报道时,透射激光焊接的试样,上层是红外透射塑料,下层是碳黑塑料。碳黑层表面吸收激光能量并加热,在两层界面处产生焊接。透射激光焊接工艺受限于几个条件:(1)下层是黑色,也是最常见颜色;(2)上层必须能够透射一定比例的激光能量,通常要求在20%以上,以便加热优先发生在下层表面而不是上层表面(图4)。黑色表面充当加热元件,两侧材料的熔体深度几乎相等。热影响区小,因此对周围组件的热损伤最小,接头处的变形也最小,无颗粒物污染。

1998年,用于激光焊接的吸收剂的问世,实现了浅色以及透明塑料的焊接。一个例子叫做Clearweld,它是一种吸收红外的染料,与其它可见染料很像。它可以作为涂层涂抹在焊接线上(通过喷涂,印刷,针或笔定向涂抹的方式)或作为添加剂加入下层塑料中。

以上图5案例,通过在透明PMMA上盖和容器接合面上涂有吸收剂制成的焊接产品。通过使用吸收剂,现如今几乎所有颜色组合的塑料都可以使用透射激光焊接。主要问题不能焊接有较多填料且较厚的塑料。在这种情况下,必须减少上层塑料厚度,减少填料含量或者颗粒直径以减少光的散射,或者考虑采用其它焊接工艺。

透射激光焊接的应用领域包括:

医疗器械包装汽车零部件消费品电子包装纺织品在纺织品上的应用非常有趣。该工艺提供了一种新的织物焊接的方法,该方法仅熔化接合面,而不熔化织物的外表面。这样部分纤维仍保持原状未熔化,且焊缝区域仍保持织物的强度和柔韧性。图4是一种防水外套的设计,在防水织物层进行了连续激光焊接,以保持气密的效果。因此,该工艺用于防水服,个人防护服和其它织物服装自动化制造方面具有较大潜力。

图6 这种防水夹克设计有激光焊接的接缝,与缝制和胶粘接相比,该接缝提供更加有效地防水。

该方法还扩展到了含有纤维增强聚合物的复合材料的连接。复合材料基体被激光加热并熔化,而纤维增强材料不受工艺影响。

透射激光焊接可应用于含玻璃纤维或聚合物纤维增强的复合材料,以及填料含量不高的聚合物的焊接。当使用碳纤维增强,或基体为黑色或有大量填料时,可以使用直接激光焊接方法,该方法不需要光束穿过零件。

5. 直接激光焊接

无论是因为红外辐射波长还是材料选择的原因,导致零件不能透射激光束,熔化都首先发生在塑料的上表面。随后在压力下两者表面粘接的方法称为直接激光焊接。CO2激光器最先用于该方法,能够以很高的速度焊接塑料薄膜,速度高达1200m/min。通过控制激光束功率分布对包装袋实现“连切带焊”,即对两层塑料薄膜同时切割和封边的过程。

对于厚度在0.2–5 mm范围内的多层透明塑料,可以使用2-3m波长的红外激光进行焊接。图7是平面对平面的焊缝设计,也可以采用其它焊缝设计。该过程不需要额外的吸收剂,通过上下件吸收能量热膨胀在界面处熔化粘接。应注意控制塑料的激光吸收和传输特性,以确保焊接稳定。

图7 采用67W波长为1940nm的光纤激光器以4.5m/min的速度对3mm的PMMA板进行焊接。

6. 总结

可以使用多种机械装置(例如机械手臂,扫描镜头、龙门架、台式或者桌面二维移动平台)和各种波长的激光器(半导体、光纤、YAG等)进行组合,实现对各种塑料产品的激光焊接。激光提供高效能和精确的能量分布控制,实现局部熔化。焊接快速,强度高且外观优异。

现在广泛使用的是结构紧凑的半导体和光纤激光器,可以有效地实现焊接过程,并且很容易集成到自动化生产线上。该技术已经应用于各行业的各种产品中。

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