塑料的激光焊接

1/8塑料的激光焊接摘要:塑料激光焊接的特点与金属材料的激光焊接有较大的不同。本文论述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光设备，焊接工艺以及塑料激光焊接在工业生产中的应用。塑料激光焊接的工艺涉及焊接吸收剂、激光波长、被焊材料的特性和要求、加工系统控制软件等等。关键词：塑料激光焊接工艺应用一、前言自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良、能提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍。当前，激光所能够焊接的材料，除了传统的金属材料之外，其范围正在逐步扩大，在例如陶瓷等非金属材料上的使用也越来越多；而塑料作为有机材料的代表之一，也被用来作为激光焊接的对象，能够用激光实现焊接的塑料必须是热固性的。20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上;但直到20世纪90年代,才取得了大规模的工业应用[1]。见于文献报道的最早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度为1.5毫米）。直到目前，由于激光器技术的限制以及塑料材料本身固有的强度低、耐热性差、易变形等特点，在塑料工业中，激光作为焊接工具还不是非常普遍；塑料激光焊接2/8的成品，也仅仅限于包装、医疗器械、微电子产品等方面。但是，随着塑料材料和各种激光器及激光加工机的快速发展，塑料激光焊接技术的研究和应用也必将越来越广泛。二、塑料激光焊接的原理塑料激光焊接的基本原理与金属材料激光焊接的基本原理相近。激光作为一种焊接用热源，具有准直性优良、光束能量密度高、作用区域小等优点。在焊接过程中，通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，将激光器产生的光束聚焦于待焊接区域，形成热作用区；在热作用区中的塑料被融化；在随后的凝固过程中，已融化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来。由于被焊接材料具有本质上的不同，塑料激光焊接的特点和具体工艺与传统金属焊接也有比较大的差别。三、塑料激光焊接的工艺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3/8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[9]。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，Nylon6－尼龙6，Nylon66－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，TheWeldingInstitute）研制出了一种对可见光透明的4/8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。英国TWI的ClearWeld技术搭焊的两片透明的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，也即有机玻璃）薄片；传统碳黑吸收剂与采用TWI的ClearWeld技术的透明吸收剂所得到的不同效果。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。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：5/8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。四、塑料激光焊接的应用塑料激光焊接的综合优点较多：速度快；焊接精度高；焊机自动化、精密数控实现方便；加工现场环境条件优于传统焊接工艺；成本相对较低。因此，塑料激光焊接技术在以下领域得到了比较广泛的应用：1．医疗器械：某些特殊用途的医用塑料器械产品，其形状和产品结构构成要求必须用焊接的方法；2．包装工业：例如高级工业制成品的包装，采用塑料薄膜焊接技术，可以得到加工高速、接缝可靠、外表美观的塑料包装。塑料质外包装材料的激光焊接连接。塑料材料为热塑性塑料和人造橡胶。3．汽车零部件：当今汽车车身的大趋势是力求减轻其重量，因此塑料、树脂、特种玻璃等材料在汽车上得到了越来越广泛的应用。而焊接是其中必不可少的工艺，激光焊接又是所有焊接工艺中较传统工艺优势最大、技术成熟、成本相对最低的一种。因此，激光焊接热塑性塑料、合成树脂、合成橡胶，以及一些特种玻璃等车用材料在汽车工业中应用较多。4．电子器件产品封装：电子器件产品的封装技术对于焊接环境和工艺的要求非常严格，例如低尘埃量、低热量、无强震动，封装精度高、接缝可靠耐用、外表美观等。封装用的材料很大一部分就是塑料，因此塑料激光焊接同样有很大的应用空间。5．纺织品：激光焊接纺织品可以被称作激光缝合。其接缝牢固可靠、加工速度快的优点非常适合缝合纺织品。一些防水服装装备和要求气密性的装备，都可以利用激光焊接来加工。五、展望金属材料的激光焊接已经在诸如汽车工业等领域得到了较广泛的应用，激光焊6/8接新材料（如塑料、玻璃、陶瓷、各种有机物等）的研究正方兴未艾，尤其是不同材料之间的复合焊接，更成为研究和应用的热点。激光焊接塑料具有低成本、高速度、加工方便、实现精密数控容易、原材料适用范围广、接合性和工艺性好等综合优势，随着塑料焊接工艺研究和塑料激光焊接设备的逐步商品化，塑料激光焊接的应用必将越来越广泛，技术越来越成熟。其产品也将很快走进我们日常生活的方方面面。1.激光焊接的流程和方法激光对热塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法对被焊接的两种材料性质有一定的要求，也就是上面的热塑层对采用的激光波长是透明的，而下面的热塑层能吸收激光能量。激光束透过透明的上层材料到达下层材料，下层材料的表面因吸收激光能量而熔化，此时在一定的压力下两种材料通过分子联接而被焊接在一起。由于激光是非机械接触的聚焦在下层材料的表面，激光引起的热效应是局域的，所以此方法可避免对被焊接材料的机械和热损伤。目前热塑材料总加工的20%左右是基于激光焊接的。根据不同的焊接任务和要求激光焊接的流程大致有以下几种。轮廓焊接是最简单，目前使用最广的焊接流程。在焊接时激光束通过光学系统和振镜在被焊接的物体上移动或者激光束静止而被焊接物体移动。激光与被焊接物体之间的相互作用时间取决于光束焦点尺寸和移动速度，既而影响焊接时间和效果。轮廓焊接是一种非常灵活的焊接流程，可实现复杂的三维焊接，在包装行业里有广泛的应用。7/8掩模焊接是一种借助掩模，基于轮廓焊接或着同步焊接方法的流程，其原理与芯片制造上的光刻技术相似。这种流