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    塑料加工用激光焊接技术(三)

    2008-7-25 10:29:00

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    塑料加工用激光焊接技术(三)
        应用  

        在汽车工业,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,如燃油喷嘴、变档机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、前灯和尾灯等。其它汽车方面的应用还包括进气管光歧管的制造以及辅助水泵的制造。

    图 4: 激光焊接技术加工的汽车前灯,使用了可以聚焦激光同时还起到夹持工具作用的玻璃球面

    图 4: 激光焊接技术加工的汽车前灯,使用了可以聚焦激光同时还起到夹持工具作用的玻璃球面

        在医学领域,激光焊接技术可用于制造液体储槽、液体过滤器材、软管连接头、造口术袋子、助听器、移植体、分析用的微流体器件等。

    图 5: 激光焊接技术制造的微流体器件,利用了该技术的高精度的特点

    图 5: 激光焊接技术制造的微流体器件,利用了该技术的高精度的特点

        激光焊接是一项无振动技术,因此它特别适合用于加工精密的电子元器件。通过激光技术制造的器材有鼠标、移动电话、连接器件等。激光技术制造的汽车电子产品有自动门锁、无钥匙进出设备以及传感器等。
     
        激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,它沿着薄膜的边缘移动,通过粘接作用形成一个包装用的封体结构。操作过程可以完成的非常快。根据TWI公司的资料,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。 

    图 6:激光焊接两聚乙烯薄膜的显微图象

    图 6:激光焊接两聚乙烯薄膜的显微图象


        最新发展  

        在激光技术发展的早期阶段,该技术将两个透明的塑料焊接在一起是不可能的。现在在两层塑料之间的接触处红外吸收涂料的作用下,可以实现两种透明材料之间的粘结。涂料在激光的照射下发热并熔化相邻层的材料,进而达到粘结的目的。 

    图 7: 塑料表面接触处的激光吸收涂料发热并连接通常不可焊接的透明材料层

    图 7: 塑料表面接触处的激光吸收涂料发热并连接通常不可焊接的透明材料层


        两层黑色塑料在过去用激光来焊接也是不可能的,这是因为激光能量在到达焊接界面之前就已经被吸收。但现在我们可以在上层塑料中加入特殊的颜料,使其在肉眼看起来是黑色的,但对于激光却是透明的,这样就可以实现黑色材料的焊接。颜料能够保证足够的激光能量透过上层材料以便在两层接触面上产生熔化。 

        结论  

        激光焊接塑料技术是很专业化的粘结技术,当要求高速焊接以及要求精密焊接或无菌条件焊接时,这就可以发挥出激光焊接最好的优势。该技术曾经受制于价格因素,但是随着设备价格的不断下降,已经在很多应用领域比超声波焊接以及热板焊接更具竞争力。激光焊接技术主要的应用领域有医疗、汽车、电子和包装等领域。由于助剂和涂料技术的发展克服了激光焊接技术早期应用的限制条件,所以激光焊接技术的深入广泛使用在很大程度上要归功于它们的进步。  

        塑料激光焊接技术的利弊分析  

        激光焊接技术是用通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波,熔化接头区的塑料。所用激光的类型和塑料的吸收特性决定可能焊接的程度。
      
        激光焊接也极大地减小了制品的振动应力和热应力。比采用其它连接方式所产生的振动应力和热应力小,意味着制品或者装置的内部组件的老化速度更慢。这个特点为将激光焊接应用于易损坏的制品(如电子传感器)提供了一个机会。 
     
        很多种类不同的材料能够用激光焊接在一起,激光焊接使用近红外线激光(NIR),波长在810到1064纳米。首先,两种制品在低压力下被夹紧在一起,近红外线激光穿过一个制品(近红外线激光透射)然后被另外一个制品吸收(近红外线激光吸收)。吸收近红外线激光的制品将光转化为热,然后在制品的接触面处熔化,同时热也传导到透射近红外线激光的制品的表面,形成一个焊接区。焊接缝的强度能够超过原始材料的强度。举例说,激光焊接将能透过近红外线激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)连接在一起。其它的焊接方法不能将两种在结构、软化点和增强材料等方面如此不相同的聚合物连接起来。激光焊接最擅长于焊接具有复杂外形(甚至是三维的)的制品,能够焊接其它焊接方法不易达到的区域。
      
        塑料激光焊接技术在各个领域,例如在国防和医学领域的成熟应用有助于使它应用于塑料连接方面。自90年代中期以来,二极管型和钇铝石榴石型激光器已经向着有利于塑料连接的方向发展。这些激光器的功率显著增大,而它们的成本在过去五年内下降了大约90%。已经发现大多数塑料能有效透射二极管激光器(810到940纳米)和钇铝石榴石激光器(1064纳米)所发射的激光或者接近它们波长带的激光。(二氧化碳激光器发射的激光容易被塑料吸收,这将导致塑料燃烧的危险)。 
     
        激光焊接没有残渣的优点也使它比较适合应用于以下制品∶食品及药物管理局(FDA)管制的医药制品,汽车制品和其他的电子传感器。  

        已经证明,二极管激光器和钇铝石榴石激光器用于塑料焊接时,它们有良好的适应性。例如,可以将二极管激光排列起来以生成复杂的线状焊缝。还可以将二极管激光发射器组合堆积起来,以获得特殊应用所需要的高焊接功率。 
     
        激光焊接方式对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,由于这些材料对近红外光的透射率很低,因而不适合激光焊接方式;另一个不足之处是当两种材料中都填充炭黑时,由于两种材料都是黑色,它们是不能被焊接在一起的。这对于汽车外壳下的设备和其他黑色的装置采用激光焊接来说是一个障碍。  

        同样,两种对近红外线激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于对近红外光的吸收很少,所以也不能用激光焊接起来。这对于医药,包装和消费产品来说是一个很大的缺点,因为这些产品都要求透明。  

        最后,由于许多矿物填充的化合物能够吸收近红外线激光,所以通常不适合用激光焊接。高填充的玻纤增强物能够改变近红外线激光的透射率,降低焊接效率,不过原料供应商的配方中的玻纤含量通常不会超过这个限度。 

        塑料激光焊接设备 

        目前国内塑料激光焊接设备才开始起步,大多处于摸索阶段。比如国内最早生产激光焊接机的武汉华工激光工程有限责任公司就推出了采用半导体激光器做为光源的塑料焊接机,根据客户的工件形态,分别有: 

        1、 基于振镜运动方式的塑料激光焊接机,主要用于平面焊接; 

        2、 基于电动工作台三维运动的塑料激光焊接机,主要用于三维曲线的焊接。
     
        同时结合客户产品特点定制各种工装夹具,选择合适的激光添加剂配方,为客户提供交钥匙工程。
     
     
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