激光焊接的原理及其在塑料熔接上的應(yīng)用--激光塑料焊接講解

1、激光焊接的原理及其在塑料熔接上的應(yīng)用激光焊接作為一種熔接塑料制品的手段已漸趨普及。此技術(shù)主要用于連接敏感性的塑料制 品，例如線路板、有塑料零件的電子感應(yīng)器、 復(fù)雜形狀的塑料制品，及醫(yī)療塑料等要求嚴(yán)格 密封及潔凈的制品。激光焊接原理利用激光把兩件塑料部件焊接，首先把部件夾緊在一起，然后以近紅外線激光 NIR （波 長 810-1064nm ），透射過第一個(gè)部件，然后被第二個(gè)部件吸收所，所吸收的近紅外線激 光化為熱能，將兩個(gè)部件的接觸表面熔化，形成焊接區(qū)。 這種焊接方法，能夠造出超過原材 料強(qiáng)度的焊接縫。激光焊接優(yōu)點(diǎn)多應(yīng)用激光焊接熔接塑料部件，其優(yōu)點(diǎn)包括：焊接縫尺寸精密、牢固、不透氣及不漏水在焊接

2、過程中樹脂降解少、產(chǎn)生碎屑少。部件表面能夠嚴(yán)密地連接起來 與其他熔接方法比較，大幅減少制品的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力 能夠?qū)⒍喾N不同塑料焊接起來（其他焊接方法有較大限制）擅長焊接具有復(fù)雜外形（甚至是三維）的制品；能夠焊接其他方法不易達(dá)到的區(qū)域 由于激光焊接具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以特別吸引那些尋求更清潔的方式來熔接復(fù)雜部件的加 工商，例如含有線路板的塑料制品、醫(yī)療設(shè)備等。多家公司相繼推出激光焊接設(shè)備 以往一段頗長時(shí)間，激光焊接未能在塑料的熔接上應(yīng)用，這情況已逐漸改變，歐洲的Bielomatik 、 Leister 、 Branson 等公司相繼推出專門用于塑料焊接的激光設(shè)備， 而新型的 塑料和添加劑， 令彩色

3、塑料制品的激光焊接成為可能。 塑料供應(yīng)商亦不斷改進(jìn)現(xiàn)有配方， 藉 此優(yōu)化塑料對激光的透射率或吸收率。 各種因素配合下， 令塑料制品的激光焊接工藝迅速發(fā) 展。事實(shí)上，在某些應(yīng)用中，激光焊接比超聲波焊接、振動焊接、熱平板焊接等工藝更具成 本和性能方面的優(yōu)勢。激光焊接前景樂觀Branson 公司表示， 由于激光焊接不會產(chǎn)生殘?jiān)?因而適合應(yīng)用于美國食品及藥物管理 局（ FDA ）管制的醫(yī)藥制品，以及汽車制品和電子傳感器。 Bielomatik 公司亦認(rèn)為這種焊 接技術(shù)，大大減少制品的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力， 是焊接易損壞的制品 （例如電子傳感器） 的理 想選擇。 Leister 公司則指出，其他的焊接方法

4、難以將兩種在結(jié)構(gòu)、較化點(diǎn)和填充物料等多 種性質(zhì)不同的聚合物接連、而激光焊接卻能應(yīng)付自如。Novolas 焊接設(shè)備Novolas 生產(chǎn)線是 Leister 公司最新推出的設(shè)備。此生產(chǎn)線使用了高功率的二極管激光器， 每個(gè)激光器的功率為 25W 或更高，提供以下型號的設(shè)備：Novolas C 型焊接機(jī) -這是一臺特形焊機(jī)，又是點(diǎn)焊機(jī)。它可以采用移動制品而固定激光點(diǎn) 的焊接方法； 又或者采用移動激光點(diǎn)而固定制品的焊接方法。 其最大焊接面積為 250 x 250mm ，焊接幾何形狀時(shí)非常靈活，但缺點(diǎn)是焊接速度轉(zhuǎn)慢。Novolas S 型焊接機(jī) -該機(jī)使用 同步 焊接技術(shù)，原理是將激光束校準(zhǔn)成一條直線或曲

5、線， 同一時(shí)間射結(jié)合處， 光束和制品都不需移動。 采用這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是焊接速度快， 但缺點(diǎn)是 在焊接幾何形狀時(shí)受到限制。Novolas M 型焊接機(jī)該機(jī)使用 同步掩膜焊接技術(shù)。 Leister 公司向客戶提供以照相平 版印刷術(shù)制造的薄膜掩膜， 用來掩蓋制品不需焊接的部分， 固定的激光束只加熱制品上那些 沒被掩遮的部份。這種技術(shù)的好處是解決了 S 型焊接機(jī)的焊接幾何尺寸所受到限制。再復(fù) 雜的焊接形狀， 例如圓形或螺旋形， 均能使用這種方式。 此技術(shù)能生成更細(xì)更精確的焊接縫 （焊接縫只有 0.1mm ），而且焊接縫的寬度可以變化。雖然同步掩膜焊接所需的準(zhǔn)備時(shí)間 比特形焊接較長些，但在大批量生產(chǎn)時(shí)，

6、成本效益更好。 Novolas M 系統(tǒng)特別適合醫(yī)藥設(shè) 備的微型連接。Laser-Tec Qslw 系統(tǒng) Bielomatik 公司生產(chǎn)的 Laser-Tec QSLW 系統(tǒng)，采用一種被稱為 準(zhǔn)同步 的焊接技術(shù)， 使 用輸出能量為 70-250W 的固態(tài)釔鋁石激光器及高速掃描鏡，可以使激光束每秒掃描全部 接縫 40 次，生成的焊接只有 0.1mm 。這種激光系統(tǒng)現(xiàn)正應(yīng)用于生產(chǎn)汽車的電子開門器。 其他應(yīng)用還包括汽車空氣進(jìn)氣管上的傳動裝置和中控鎖、 變速箱、 安全氣囊、 油壓傳感器和 發(fā)動機(jī)傳感器等。如果將多臺 Laser-Tec 系統(tǒng)組合應(yīng)用，更可焊接車輛的駕駛艙、壓力容 器、大型的集成傳感器等

7、。IRAM 激光焊接裝置Branson 公司生產(chǎn)的 IRAM 激光焊接裝置，包括：同步型及特形型兩個(gè)系列。每系列可提 供三種規(guī)格的激光焊接裝置： 小功率（ 150-450W ）、中功率（ 600-900W ）、大功率（ 900-1 ， 350W ）。Herfurth 公司的高能激光器 英國 Herfurth 公司生產(chǎn)的高能激光器，功率在 250-1 ， 000W 之間。由于采用了高能量 的激光。令焊縫強(qiáng)度非常高，能處理那些對激光透射率低，很難焊接的材料及顏色種類。例 如把聚丙烯（PP）和玻璃纖維增強(qiáng)的縮醛塑料兩種材料焊接，或用于將聚酯和聚丙烯制造 的薄膜，與管道及連接器焊接起來，制品成醫(yī)藥上的

8、流體輸送系統(tǒng)。配合激光焊接的材料為配合激光焊接的發(fā)展，塑料生產(chǎn)商均積極研究能夠配合激光焊接的材料。杜邦公司指 出，聚合物對近紅外線激光的透射率至少達(dá)到 20-50% ，才能獲得優(yōu)良的焊接效果，而絕 大多數(shù)的本色塑料和很多有色的半透明塑料都達(dá)到此透光率要求。 換句話說， 絕大部分塑料 都能夠被激光焊接。 另一方面，塑料對近紅外線激光的吸收率亦是影響焊接效果的重要因素， 而大多數(shù)熱塑性塑料加入適量的碳黑后， 就可以大幅提高其對激光的吸收率。 但激光焊接對 一些材料而言，還存在一定的局限性。其中的典型例子是 PPS 和 LCP 等塑料，由于對近紅 外線激光的透射率很低，若光兩種材料都填充炭黑時(shí)，由于

9、兩者都是黑色，激光無法穿透， 所以不能以激光焊接。相反，若兩種材料都屬于透明或者白色，近紅外線激光都能透射過， 引致對近紅外線激光的吸收低， 此情況下，也不能用激光來焊接。 此外，許多礦物填充的化 合物，都不適宜用激光來焊接。 這些局限性， 造成了激光焊接應(yīng)用于塑料接連上的很大障礙。新物料有助改善激光透射率及吸收率 為改善聚合物的激光透射率和吸收率，不少塑料生產(chǎn)商進(jìn)行研究，現(xiàn)時(shí)已解決了不少技 術(shù)障礙。例如 BASF 公司推出了能透過激光的黑色原料 Ultramid A3WG6LT （用于尼龍 66 ）和Ultramid B4300g6LT （用于PBT）。這種采用了新染料的材料，雖然呈黑色，但

10、 保持了很高的近紅外線激光透射率， 因而實(shí)現(xiàn)了將兩種黑色制品進(jìn)行激光焊接。 杜邦公司亦 推出一種黑色的縮醛塑料，其近紅外線激光透射率達(dá)到38% ；一種 30% 玻璃增強(qiáng)的黑色尼龍 6 材料，其近紅外線激光透射率達(dá) 25-55%。Clearweld 原料消除對碳黑的依賴Gentex 公司 Clearweld 新工藝的開發(fā)， 目的是消除在近紅外線激光吸收方面對碳黑的 依賴， 從而拓寬可進(jìn)行激光焊接的顏色范圍， 令透明制品、色彩輕淡的制品，甚至各種顏色 的不透明制品，都可進(jìn)行激光焊接。 Clearweld 原料（凈焊材料）無色，能吸收大多數(shù)商 用二極管激光器發(fā)射的近紅外線激光。 如要處理兩種對近紅外線激光都透射的材料， 可在其 接觸界面上放上一層很薄的 Clearweld 凈焊材料，然后再進(jìn)行激光焊接。凈焊材料可通過 工業(yè)上的噴墨打