塑料加工用激光焊接技術(shù)(三)

    應(yīng)用  

    在汽車工業(yè)，激光焊接塑料技術(shù)可用于制造很多汽車零部件，如燃油噴嘴、變檔機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、駕駛室機(jī)架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應(yīng)用還包括進(jìn)氣管光歧管的制造以及輔助水泵的制造。

圖 4: 激光焊接技術(shù)加工的汽車前燈，使用了可以聚焦激光同時(shí)還起到夾持工具作用的玻璃球面

    在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)可用于制造液體儲(chǔ)槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術(shù)袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。

圖 5: 激光焊接技術(shù)制造的微流體器件，利用了該技術(shù)的高精度的特點(diǎn)

    激光焊接是一項(xiàng)無振動(dòng)技術(shù)，因此它特別適合用于加工精密的電子元器件。通過激光技術(shù)制造的器材有鼠標(biāo)、移動(dòng)電話、連接器件等。激光技術(shù)制造的汽車電子產(chǎn)品有自動(dòng)門鎖、無鑰匙進(jìn)出設(shè)備以及傳感器等。
 
    激光還可以將塑料薄膜焊接在一起，它沿著薄膜的邊緣移動(dòng)，通過粘接作用形成一個(gè)包裝用的封體結(jié)構(gòu)。操作過程可以完成的非?？?。根據(jù)TWI公司的資料，它使用100W的二氧化碳激光可以以100米／分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。 

圖 6:激光焊接兩聚乙烯薄膜的顯微圖象

    最新發(fā)展  

    在激光技術(shù)發(fā)展的早期階段，該技術(shù)將兩個(gè)透明的塑料焊接在一起是不可能的?，F(xiàn)在在兩層塑料之間的接觸處紅外吸收涂料的作用下，可以實(shí)現(xiàn)兩種透明材料之間的粘結(jié)。涂料在激光的照射下發(fā)熱并熔化相鄰層的材料，進(jìn)而達(dá)到粘結(jié)的目的。 

圖 7: 塑料表面接觸處的激光吸收涂料發(fā)熱并連接通常不可焊接的透明材料層

    兩層黑色塑料在過去用激光來焊接也是不可能的，這是因?yàn)榧す饽芰吭诘竭_(dá)焊接界面之前就已經(jīng)被吸收。但現(xiàn)在我們可以在上層塑料中加入特殊的顏料，使其在肉眼看起來是黑色的，但對(duì)于激光卻是透明的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)黑色材料的焊接。顏料能夠保證足夠的激光能量透過上層材料以便在兩層接觸面上產(chǎn)生熔化。 

    結(jié)論  

    激光焊接塑料技術(shù)是很專業(yè)化的粘結(jié)技術(shù)，當(dāng)要求高速焊接以及要求精密焊接或無菌條件焊接時(shí)，這就可以發(fā)揮出激光焊接最好的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)曾經(jīng)受制于價(jià)格因素，但是隨著設(shè)備價(jià)格的不斷下降，已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競(jìng)爭(zhēng)力。激光焊接技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)療、汽車、電子和包裝等領(lǐng)域。由于助劑和涂料技術(shù)的發(fā)展克服了激光焊接技術(shù)早期應(yīng)用的限制條件，所以激光焊接技術(shù)的深入廣泛使用在很大程度上要?dú)w功于它們的進(jìn)步。  

    塑料激光焊接技術(shù)的利弊分析  

    激光焊接技術(shù)是用通常存在于電磁光譜紅外線區(qū)的集束強(qiáng)輻射波，熔化接頭區(qū)的塑料。所用激光的類型和塑料的吸收特性決定可能焊接的程度。
  
    激光焊接也極大地減小了制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力。比采用其它連接方式所產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力小，意味著制品或者裝置的內(nèi)部組件的老化速度更慢。這個(gè)特點(diǎn)為將激光焊接應(yīng)用于易損壞的制品(如電子傳感器)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。 
 
    很多種類不同的材料能夠用激光焊接在一起，激光焊接使用近紅外線激光(NIR)，波長在810到1064納米。首先，兩種制品在低壓力下被夾緊在一起，近紅外線激光穿過一個(gè)制品(近紅外線激光透射)然后被另外一個(gè)制品吸收(近紅外線激光吸收)。吸收近紅外線激光的制品將光轉(zhuǎn)化為熱，然后在制品的接觸面處熔化，同時(shí)熱也傳導(dǎo)到透射近紅外線激光的制品的表面，形成一個(gè)焊接區(qū)。焊接縫的強(qiáng)度能夠超過原始材料的強(qiáng)度。舉例說，激光焊接將能透過近紅外線激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纖增強(qiáng)的黑色聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)連接在一起。其它的焊接方法不能將兩種在結(jié)構(gòu)、軟化點(diǎn)和增強(qiáng)材料等方面如此不相同的聚合物連接起來。激光焊接最擅長于焊接具有復(fù)雜外形(甚至是三維的)的制品，能夠焊接其它焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域。
  
    塑料激光焊接技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域，例如在國防和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成熟應(yīng)用有助于使它應(yīng)用于塑料連接方面。自90年代中期以來，二極管型和釔鋁石榴石型激光器已經(jīng)向著有利于塑料連接的方向發(fā)展。這些激光器的功率顯著增大，而它們的成本在過去五年內(nèi)下降了大約90%。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)塑料能有效透射二極管激光器(810到940納米)和釔鋁石榴石激光器(1064納米)所發(fā)射的激光或者接近它們波長帶的激光。(二氧化碳激光器發(fā)射的激光容易被塑料吸收，這將導(dǎo)致塑料燃燒的危險(xiǎn))。 
 
    激光焊接沒有殘?jiān)膬?yōu)點(diǎn)也使它比較適合應(yīng)用于以下制品∶食品及藥物管理局(FDA)管制的醫(yī)藥制品，汽車制品和其他的電子傳感器。  

    已經(jīng)證明，二極管激光器和釔鋁石榴石激光器用于塑料焊接時(shí)，它們有良好的適應(yīng)性。例如，可以將二極管激光排列起來以生成復(fù)雜的線狀焊縫。還可以將二極管激光發(fā)射器組合堆積起來，以獲得特殊應(yīng)用所需要的高焊接功率。 
 
    激光焊接方式對(duì)一些材料而言也存在著部分局限∶一是高性能聚合物，如PPS、聚(PEEK)和LCP，由于這些材料對(duì)近紅外光的透射率很低，因而不適合激光焊接方式；另一個(gè)不足之處是當(dāng)兩種材料中都填充炭黑時(shí)，由于兩種材料都是黑色，它們是不能被焊接在一起的。這對(duì)于汽車外殼下的設(shè)備和其他黑色的裝置采用激光焊接來說是一個(gè)障礙。  

    同樣，兩種對(duì)近紅外線激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于對(duì)近紅外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接起來。這對(duì)于醫(yī)藥，包裝和消費(fèi)產(chǎn)品來說是一個(gè)很大的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@些產(chǎn)品都要求透明。  

    最后，由于許多礦物填充的化合物能夠吸收近紅外線激光，所以通常不適合用激光焊接。高填充的玻纖增強(qiáng)物能夠改變近紅外線激光的透射率，降低焊接效率，不過原料供應(yīng)商的配方中的玻纖含量通常不會(huì)超過這個(gè)限度。 

    塑料激光焊接設(shè)備 

    目前國內(nèi)塑料激光焊接設(shè)備才開始起步，大多處于摸索階段。比如國內(nèi)最早生產(chǎn)激光焊接機(jī)的武漢華工激光工程有限責(zé)任公司就推出了采用半導(dǎo)體激光器做為光源的塑料焊接機(jī)，根據(jù)客戶的工件形態(tài)，分別有： 

    1、 基于振鏡運(yùn)動(dòng)方式的塑料激光焊接機(jī)，主要用于平面焊接； 

    2、 基于電動(dòng)工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)的塑料激光焊接機(jī)，主要用于三維曲線的焊接。
 
    同時(shí)結(jié)合客戶產(chǎn)品特點(diǎn)定制各種工裝夾具，選擇合適的激光添加劑配方，為客戶提供交鑰匙工程。