激光塑料焊接中關于塑料的鎖定和熱熔性匹配

塑料鎖定和激光焊接

與包括醫療設備和汽車零件在內的眾多應用中的傳統接觸方法相比，基于激光的焊接對塑料具有幾個重要優勢。

工業激光器用于在許多市場加工工程塑料。例如一些常見過程的示例，包括激光打標、切割和焊接。激光塑料焊接領域公認的市場包括汽車和醫療設備。

激光塑料焊接的基本原理

與傳統的接觸方法相比，基于激光的焊接對塑料有幾個重要的優勢。激光焊接是一種在焊接點的非接觸式工藝，通常發生在重疊部分的界面處。因此，焊接區被封裝。這會產生美觀的焊接，它是無菌的，不會污染被連接部件的表面。看起來有點違反直覺的是，已經相互接觸的零件可以從上到下焊接在一起，而不會對其外表面造成干擾。使用傳統的塑料焊接技術，如超聲波或熱沖壓，與塑料的外表面接觸零件被焊接在一起是不可避免的。非接觸式激光塑料焊接的工作原理是激光在被連接的聚合物鏈內部分透射、反射、散射和吸收。通過仔細選擇塑料和激光的光學特性，可以在目標位置產生足夠的熱量，將材料熔化并熔合在一起。

激光焊接工藝的設計應在產品開發的早期建立。嘗試將激光焊接工藝改造到最初不是為激光焊接而設計的塑料產品上有時會奏效。然而，在塑料產品開發的早期階段采用激光制造原理設計將大大減少后期的可制造性問題。

激光塑料焊接的設計注意事項

塑料產品具有機械、幾何、熱和光學等特性(圖1)。從根本上說，塑料組件的激光焊接性可大致由以下因素決定：

選擇的材料是否兼容?兼容性是指要焊接的兩個塑料部件的熔化溫度和化學、機械、幾何和光學特性。

激光束能否有效地穿過頂層材料到達接合界面，而底層材料能否吸收激光束在需要的地方產生熱量?

在焊接過程中，零件能否正確固定在一起，施加的力是否可以控制?零件的幾何形狀是否導致零件之間沒有間隙的良好配合?

在給定幾何形狀的情況下，傳遞到零件的激光束能否以有效的方式分布和控制?

熱和化學相容性

塑料在比金屬低得多的溫度下熔化和分解。工程塑料的典型熔化溫度約為250°C。有些塑料的熔化溫度要高得多，例如聚醚醚酮(PEEK)，它在350°至400°C的范圍內。熔化溫度的密切相容性將有助于熔池的混合并提高再凝固時的機械強度。在熔化溫度上相對緊密匹配的某些塑料組合是塑料焊接的良好候選者。塑料的化學成分也是一個因素。例如，嘗試將高密度聚乙烯(HDPE)焊接到聚丙烯(PP)上不會成功，但可以將低密度聚乙烯(LDPE)焊接到聚丙烯(PP)上，即使聚乙烯屬于同一家族.

匹配光學特性

材料加工中的激光器通常會發射一種波長或非常窄的波長帶寬的光束。與自然光不同，激光束是連貫且可聚焦的。近紅外和紅外波長最廣泛用于800nm至2μm的塑料焊接，通常使用高功率二極管激光器。這些波長比人眼可見的波長更長，例如在可見光譜中為532nm的綠色和635nm的紅色。使用800至2000nm波長，要焊接的塑料必須在此范圍內表現出一定程度的透射和吸收。塑料在某種程度上是半結晶結構并具有非晶相和結晶相。當激光束照射在塑料內的非晶相和結晶相之間的折射率差異時，除了必要的透射和吸收外，還會引起光散射和反射。這對激光焊接可能是有益的，也可能是障礙，這取決于這些影響的程度。這些特性的設計組合有助于實現激光束通過頂部塑料部件的傳輸和在下部的吸收(圖2)。有時，母料中會加入添加劑以使聚合物吸收激光。在設計階段應該考慮產品中是否可以接受添加劑——例如，用這種塑料制造的醫療設備會獲得FDA的批準嗎?這對激光焊接可能是有益的，也可能是障礙，這取決于這些影響的程度。這些特性的設計組合有助于實現激光束通過頂部塑料部件的傳輸和在下部的吸收(圖2)。有時，母料中會加入添加劑以使聚合物吸收激光。在設計階段應該考慮產品中是否可以接受添加劑——例如，用這種塑料制造的醫療設備會獲得FDA的批準嗎?這對激光焊接可能是有益的，也可能是障礙，這取決于這些影響的程度。這些特性的設計組合有助于實現激光束通過頂部塑料部件的傳輸和在下部的吸收(圖2)。有時，母料中會加入添加劑以使聚合物吸收激光。在設計階段應該考慮產品中是否可以接受添加劑——例如，用這種塑料制造的醫療設備會獲得FDA的批準嗎?

某些塑料(如聚酰胺(PA-66)，通常稱為尼龍)中的玻璃纖維含量會影響光線通過它們的傳輸，尤其是在玻璃纖維濃度較高且透射率較低的情況下。關于塑料的一個常見問題是，哪些顏色可以焊接在一起?沒有簡單的答案：許多組合都是可能的，即使是相同顏色的材料，如透明到透明、白色到白色、黑色到黑色，也可以通過精心設計的構圖進行組合。盡管可見光不透過有色塑料，但對于單一激光波長而言，情況可能完全相反。

沿零件末端有足夠的零件裝配和固定力

設計師必須始終設法確保零件的幾何形狀能夠通過裝配組件的良好裝配和可接近的接頭進行激光塑料焊接。激光焊接不擅長通過氣隙傳遞熱量，重要的是接頭的組成部分相互接觸。搭接焊配置實現了這一點。在某些情況下，對接焊縫是可能的，并且很大程度上取決于激光束如何應用于焊縫以及生產塑料零件的成型機的零件公差。將蓋子焊接到容器上就是很好的零件裝配示例。

焊接過程中的向下力對于某些復雜的零件來說是必不可少的，尤其是那些難以在其邊界周圍自然地實現良好裝配的大型零件。夾緊力可以由伺服驅動器產生，也可以通過氣動夾緊產生。塑料焊接有一個塌陷力，它決定了熱的熔化塑料在開始顯著變形之前可以承受多大的力，以及熔化時需要多大的力才能將零件推到一起。力位移傳感器通常集成到激光塑料焊接工具中，以監測和控制在焊接周期中施加到組件上的力。

有效分配和控制激光產生的熱量

在激光焊接中，有幾種將激光束傳送到工件的方法。使用笛卡爾軸系統，固定激光塑料焊接頭和XYZR工作臺運動系統之間存在相對運動，就是一個例子。由于在起點和終點以及方向變化所需的加速度，這些設備可能不會導致大零件的均勻加熱。然而，這種方法很靈活，因為激光路徑可以通過CAD數據生成。高速振鏡掃描頭的使用允許激光束以高達10m/s的速度極快地移動。以非常高的速度和足夠的功率在焊縫周圍掃描可以幾乎瞬間加熱整個焊縫從一端到另一端。這減少了笛卡爾軸系統產生的同時加熱和冷卻的影響。

另一種不太靈活的方法是通過掩模激光照射零件。在這種情況下，掩模孔采用所需焊縫的形狀，但必須在每次改變設計時制造。有時，會使用專門的激光透鏡，產生線焦點，沿定義的長度提供縫焊。在此過程中可能需要控制光功率，這也可以通過高溫計在焊接期間測量工件溫度并將此信息反饋到激光控制器中的功率控制回路來實現。

概括

激光塑料焊接存在許多相互依賴關系，并且在設計復雜零件和特殊材料的解決方案方面具有重要的工程意義。激光塑料焊接在工業中的應用令人印象深刻，從汽車燈組件到噴墨打印機墨盒的各種大批量產品都經常采用激光塑料焊接。

本文旨在解釋激光焊接塑料時必須考慮的一些基本注意事項。最重要的是，產品本身的設計必須考慮到激光焊接——這就是為什么產品設計和工藝開發團隊應該在產品設計和開發階段的早期與客戶采用協作方法，認識到上述幾點。用于生產復雜塑料產品的模具制造成本非常高，模具設計人員必須在最終確定模具設計之前了解圍繞激光焊接的制造問題的設計。這將確保脫離模具的零件幾何形狀隨后可以進行激光焊接。