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塑料激光焊接工艺

1.激光的波长

在金属材料的激光焊接工艺中,一般采用YAG或者CO2激光作为光源,塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的快速发展,半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。

三者之中,由于易于获得较大功率,前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍;而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高,但对可控性和易操作性要求较高,因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。

CO2、Nd:YAG和半导体激光三种光源的波长、最大功率、最小聚焦直径等参数的典型值如下所列:

1.CO2激光:波长较长,为10.6微米,属远红外波段,一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最大输出功率达50kW,转化效率约 10%,最小聚焦直径约0.2~0.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深,适合于需要焊接较厚的塑料材料。CO2激光不能用光纤传输,只能$&* 透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路,从而影响激光头的操作性。

2.Nd:YAG激光:波长较短,为1.06微米,属近红外区波长,不易被塑料吸收。最大输出功率6kW,转化效率为3%,最小聚焦直径 0.1~0.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小,可以方便地通过光纤传输来构建光路,可将激光头装到机器人手臂上,实现焊接过程的数控和精密自 动化;另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料,到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收,从而实现焊接。

3.半导体激光:波长0.8~1.0微米,最大输出功率6kW,转化效率30%,最小聚焦直径0.5mm。由于其输出输出功率较小,适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化。

2.塑料材料

能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上,所有热塑性塑料都能够被激光焊接。

塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为:在热作用区内的材料,要求对激光光波的吸收性好;不属于热作用区部分的材料,则要求对光波的透过性好,尤 其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括:

PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃),PC塑料,ABS塑料, LDPE-低密度聚乙烯塑料,HDPE-高密度聚乙烯塑料,PVC-聚氯乙稀塑料,Nylon 6-尼龙6,Nylon 66-尼龙66,PS-PS树脂,等等。

上述各种塑料制成的塑料件,如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对象。由于激光焊接具有传统焊接不具备的热作用区小、控制精确容易的特点,因此上述各种单体材料之间也可以进行焊接。

3.吸收剂

吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。如前所述,塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料融化,随后冷却自然实现塑料件的接合。 让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量。塑料自身能够以较高吸收率吸收激光能量自然最好,但一般在不添加吸收剂的情况下,塑料对光波的吸收性不是很 好,吸收效率很低,融化效率不理想。

通常理想的吸收剂是碳黑,碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收,从而大大提高塑料的热吸收效果,使得热作用区的材料融化更快、效果更好。一些其他颜色的染料也能够起到相同的吸收光波的效果。

英国焊接学会(TWI,The Welding Institute)研制出了一种对可见光透明的染料。用这种染料做吸收剂,可以得到透明的塑料焊缝。碳黑在吸收红外波段的激光光波的同时,也吸收可见光 波,这也是碳黑看起来为黑色的原因,用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深,与母材颜色不同。TWI研制出的对可见光透明的染料只吸收红外波段的电磁 波,不吸收可见光,因此看起来焊缝仍然是透明的。

很多情况下,塑料焊接要求成品美观、精致,因此相比碳黑,对可见光透明的染料吸收剂非常受青睐。

添加吸收剂的方法有3种:一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂,这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面,而把没有渗吸收剂的塑料件放在上面,让激光 光波通过;二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂,这样只有被渗透了吸收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化;三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印 刷上吸收剂。

4.其他参数

与金属焊接不同,塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大,塑料件上的热作用区就越大、越深,将导致材料过热、变形、甚至损坏。应该根据需要融化的深度来选择激光功率。

塑料激光焊接的速度比较快,一般得到1mm厚焊缝的焊接速度可达20m/min;而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜,最高速度可以达到750m/min。

5.软件

激光焊接系统中,计算机软件的作用是对激光头的运动轨迹和速度、激光功率等一般性的工艺参数进行数字化控制,以达到提高加工速度和精度、改善加工 质量的目的,这些与传统的激光加工中的软件控制并没有什么不同,但由于塑料激光焊接中吸收剂的特殊作用,塑料激光焊接控制系统和加工系统又有其自身的特 色。

英国TWI研究所结合其ClearWeld塑料焊接工艺,设计开发了计算预测吸收剂用量及用法的软件。根据不同材料的厚度、颜色、吸收比率等,结合激光器的功率、光波透过率等参数,在焊接前用软件计算吸收剂的用量和添加方法,再根据预测的用量添加吸收剂。

提供给软件的输入数据包括:塑料材料特性:种类、厚度、颜色;焊接数据:焊接区域形状复杂程度、宽度、焊接速度;激光器特性:功率、红外光透过率等。

经过计算和筛选,软件给出的输出结果包括:吸收剂种类、用量及要求的添加方式的列表,焊接过程中激光光波在上层材料中的能量损失。

软件的计算结果与实际焊接测量的结果很接近,图6为焊接后生成的热影响区(HAZ)大小的计算值和实际测量值的对比,所用塑料材料为PMMA。

可见,软件计算结果与实测结果非常接近。由于塑料激光焊接的规律性较强,有较好的可预测性,因此,采用软件计算筛选方法预测结果是非常有效和可行的。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:08-11-15]
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