激光塑料焊接工藝方法和可焊材料的選擇

隨著新型材料加工技術(shù)的發(fā)展，塑料產(chǎn)品正因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性好和成型加工性能優(yōu)良等特性，已經(jīng)大量取代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)材料，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車、醫(yī)療器具、食品包裝以及日用化工等領(lǐng)域。塑料件連接工藝的好壞對(duì)塑料產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用有著重大的意義。

同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)激光技術(shù)所需設(shè)備費(fèi)用的不斷下降以及各大領(lǐng)域?qū)λ芰霞附庸に囈蟮闹鸩教岣?，激光塑料焊接技術(shù)越來(lái)越受歡迎。

那么日常生活中看到的各種塑料產(chǎn)品是怎么焊接的呢?接下來(lái)奧萊小編將從塑料焊接工藝方法、激光塑料焊接工藝、激光塑料焊接行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)等方面來(lái)科普下塑料焊接。

所有的塑料材料都可以焊接嗎?

是不是任意一種塑料材料都可以焊接呢?塑料根據(jù)其物理化學(xué)性能分類，分為熱固性塑料和熱塑性塑料。

熱固性塑料? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?熱塑性塑料

其中熱固性塑料為化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，一般是一次成型。如上左圖中開(kāi)關(guān)面板和幼兒用的碗都是熱固性塑料加工而成的，它們具有耐高溫的特性，質(zhì)地堅(jiān)硬、難以熔化，加熱后也不再軟化，過(guò)度加熱直接分解。

另一種熱塑性塑料特點(diǎn)明顯不同，如上右圖是熱塑性的塑料零件，它們?cè)谑軣釙r(shí)發(fā)生軟化或熔化，可流動(dòng)成型，且可以反復(fù)多次加熱。由此可知，并不是所有塑料材料都能實(shí)現(xiàn)焊接。

塑料焊接工藝有哪些類別?

塑料焊接工藝類別

目前常用的塑料焊接工藝方法主要有四類：

(1)熱板焊接——通過(guò)熱板加熱后進(jìn)行的焊接，如示意圖將產(chǎn)品熔化后再取出熱板，產(chǎn)品加壓實(shí)現(xiàn)焊接;

(2)超聲波焊接——利用高頻振動(dòng)波傳遞到需要焊接的物體表面，在加壓的情況下，摩擦生熱進(jìn)行產(chǎn)品的焊接;

(3)振動(dòng)摩擦焊接——兩個(gè)塑料部件在一定的壓力、振幅和頻率下，相互接觸摩擦。因摩擦產(chǎn)生熱量，使得材料在焊縫界面處熔化。在壓力下，熔融塑料從焊縫區(qū)域流出形成溢料。在振動(dòng)停止后，熔融塑料層固化，并產(chǎn)生一個(gè)堅(jiān)固的接頭;

(4)激光焊接——激光焊接技術(shù)是借助激光束產(chǎn)生的熱量使塑料接觸面熔化，進(jìn)而將熱塑性片材、薄膜或模塑零部件粘結(jié)在一起的技術(shù)。

這四種焊接方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下圖，其中塑料激光焊接的優(yōu)點(diǎn)尤為明顯，它可以加工復(fù)雜零件，且具有焊接周期短、可在線監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)成本低的特點(diǎn)。

焊接方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比圖

塑料焊接方法的類型

塑料焊接方法一般分為四類：

(1)輪廓焊接：激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動(dòng)并使其熔化，將塑料逐漸粘結(jié)在一起。主要用于焊接規(guī)則外形且有焊接速度要求的零件;

(2)同步焊接：使用帶有多個(gè)激光口的激光發(fā)射器，通過(guò)光學(xué)器件調(diào)整激光束的方向和形狀;激光束通過(guò)程序引導(dǎo)，沿著焊接層的輪廓線焊接，使整個(gè)輪廓線同時(shí)熔化并粘結(jié)在一起。主要用于焊接接觸面積較大，且焊接一致性要求較高的零件;

(3)掃描焊接：又稱準(zhǔn)同步焊接，它綜合了上述兩種焊接技術(shù)。利用光學(xué)器件產(chǎn)生高速激光束，沿著待焊接的部位移動(dòng)，使得整個(gè)焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。此方法對(duì)激光發(fā)射設(shè)備要求較高;

(4)掩膜焊接：通過(guò)預(yù)先制作的模板遮擋無(wú)效區(qū)域的激光束，只暴露出精確的焊接部位，僅對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行熔化，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程。這種焊接技術(shù)精度高，是目前應(yīng)用較廣的激光焊接技術(shù)，設(shè)備通用性強(qiáng)，模板制作簡(jiǎn)單、成本低，可以實(shí)現(xiàn)低至10μm的高精度焊接。

工藝方法分類圖示

激光塑料焊接裝置

塑料激光焊接裝置主要包括激光器、焊接頭和焊接夾具。激光器的選擇主要根據(jù)塑料材料特點(diǎn)來(lái)選擇。大部分塑料都是選擇透過(guò)率高的波長(zhǎng)為808nm～1100nm激光器，焊接完全透明材料時(shí)需要在原材料中添加激光吸收劑或零件表面涂激光吸收劑促進(jìn)激光的吸收。透明醫(yī)療材料則選擇激光吸收率高的波長(zhǎng)為1710nm或1940nm的激光器。

3U直接半導(dǎo)體水冷激光器

奧萊光電3U直接半導(dǎo)體水冷激光器相對(duì)于傳統(tǒng)的激光器，具有更高的光電轉(zhuǎn)換率，更低的功耗。波長(zhǎng)有915nm和980nm可選。直接半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。由于其柔性的激光輸出方式，能夠方便地與系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集成。

塑料焊接工裝夾具一般包括夾板總成、壓力傳感裝置以及壓力驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的工裝夾具，使用的焊接頭一般為準(zhǔn)直聚焦焊接頭和高速振鏡兩種，兩種焊接頭的典型適用范圍分別是掃描焊接和填充焊接。

工藝參數(shù)方面：夾緊力一般為0.1 Mpa～2Mpa，激光功率一般為10W～100W，輪廓焊接速度一般為5 mm/s～100mm/s，焊接處光斑直徑一般為0.5mm～5mm。焊接的工藝流程一般包括零件清理、焊接和測(cè)試。零件清理主要是去除樣件表面的脫模劑和污物。產(chǎn)品測(cè)試主要包括外觀檢查、氣密性測(cè)試、拉力測(cè)試、破壞性測(cè)試，其中醫(yī)療產(chǎn)品還需要進(jìn)行藥理毒性和生物相容性測(cè)試。

激光塑料焊接工藝流程

那么塑料焊接后會(huì)產(chǎn)生哪些缺陷呢?焊接缺陷一般包括未焊合、氣孔和孔洞，下圖是焊縫的縱截面形貌，左圖可以看到上下兩層材料中間有黑色未焊合區(qū)域，那么可以增加功率或降低焊接速度來(lái)避免這種缺陷，中間這幅圖可以看出存在氣孔，可以增加焊接夾緊力來(lái)消除缺陷;右圖黑色部位為焊接孔洞，這是能量密度高造成的，因此可以降低功率，增加焊接速度。

焊接缺陷及糾正措施

激光塑料焊接行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

激光塑料焊接目前主要應(yīng)用在汽車、家電、消費(fèi)電子以及醫(yī)療行業(yè)。基于激光塑料焊接對(duì)塑料材料的光學(xué)特性要求，未來(lái)的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)將在新型塑料材料的開(kāi)發(fā)方面——包括黑色透光材料的開(kāi)發(fā)，讓我們拭目以待。