激光的波長不同，波長對光和塑料材料的相互作用有很大的影響。這個過程的性質(zhì)取決于塑料的類型、厚度和包含的助劑。復(fù)雜形狀可以用位置分辨率高、寬度小于100 m的激光焊接加工，因此可以使用多種材料加工設(shè)備加工導(dǎo)管、微流量控制裝置、管道、包裝、電子產(chǎn)品箱、膨脹裝置等多種產(chǎn)品。
塑料類型
熱塑性塑料是長鏈分子聚合物材料，在高于特定溫度的溫度下制造，可以重新加工或焊接成其他形狀。與其他不能溶解的熱固性聚合物不同，熱塑性塑料的分子鏈沒有交叉，也沒有堅固的網(wǎng)絡(luò)。在高溫下，分子可以自由運動，材料可以像液體一樣流動。工業(yè)塑料的熔化或軟化溫度在120 ~ 343之間。熱塑性塑料可分為半結(jié)晶(牛奶形狀)和非晶(玻璃化)。半晶類是由非晶材料包圍的小晶體。這種結(jié)晶能折射光線，改善外觀，限制激光輻射的傳輸。這反過來限制了透射激光焊接的最大厚度。一些塑料可以用兩種類型的材料制作，但通常不能。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龍(PA)和聚醚醚酮(PEEK)等半結(jié)晶，聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)為非結(jié)晶材料。
圖1:聚丙烯材料的激光透射焊接表明，熔化區(qū)域可以非常均勻地影響炭黑填充和未著色塑料。這意味著所有剩余的能量將立即被黑色材料表面吸收(由TWI提供)。
激光類型及其與塑料的相互作用
與各種類型激光的相互作用在很大程度上取決于激光產(chǎn)生的波長，決定塑料吸收能量的形式。
激光焊接最常見的形式是透射法。在這種情況下，激光束通過零件上方到達下部零件的表面。在這里加熱和熔化。使用的激光波長范圍為750-1500 nm，由二次光、光纖、摻雜釔鋁石榴石激光棒(Nd:YAG)激光產(chǎn)生。總的來說，塑料不能像紫外線(UV)或中紅外(mid-IR)輻射一樣吸收這種輻射波長。這一范圍內(nèi)的能量吸收水平在很大程度上取決于塑料的助劑使用及塑料是半結(jié)晶還是非結(jié)晶。如果塑料不包含填充物或顏料，激光可以在半結(jié)晶塑料中再滲透幾毫米，但在無定型塑料中幾乎不會衰減。可以通過顏料、填充物等助劑，特別是炭黑顏料等提高激光吸收水平。
從1.6m以上的波長到天然無色塑料對激光輻射的吸收水平逐漸提高，到5m以上的IR，對波長的吸收非常強。對于光纖激光器或摻雜-YAG激光器產(chǎn)生的波長為2 m的激光器，激光束發(fā)出的能量留在所有塑料(半結(jié)晶或非晶)材料上面幾毫米。無需其他能源吸收器的輔助，即可直接焊接幾毫米厚的板材。這種激光稱為直接激光焊接。這是因為激光束不需要通過上部零件到達熔接線。直接激光焊接技術(shù)尚未廣泛用于塑料連接，但潛力巨大。
二氧化碳(CO2)激光是常用于切割塑料薄膜、板材和面料的成熟材料加工工具。二氧化碳激光輻射能(波長10.6 m)被所有類型的塑料表面層快速吸收。能量預(yù)計在激光束所指的地方先加熱0.2毫米厚的塑料，薄塑料薄膜的情況下，中等功率的激光(低于1000 W)也能迅速加熱，迅速完成焊接。焊接速度可以超過1000 m/min。
透射激光焊接
透射激光焊接技術(shù)1985年首次在IR滲透性塑料材料的上層和炭黑填充塑料零件的下層報道。炭黑吸收激光束的能量，接受熱量，在兩個部件的交叉接口上形成焊接。這個過程雖然有限制，因為零件必須是黑色的，但仍然是最常用的激光焊接方法。零件的上部需要激光能量的一部分(通常為10%以上)，才能先加熱下部零件的表面，而不是上部零件的上表面(圖1)。在這張圖中，兩種材料的熔體深度基本相同，這表明黑色表面被熱點高度集中。黑色表面就像部件中的加熱零部件一樣，為周圍的零件提供快速加工、最低限度的熱損傷，從而最大限度地減少連接點的變形或污染。
1998年激光焊接用替代能源吸收器的到來使連接處的顏色不再顯眼。其中一種是Clearweld，這是一種類似于其他可見油漆的IR吸收漆。可以用噴涂、打印、墊子、大頭針或筆涂上連接線，也可以添加到下面的部分(圖2)。圖3是在兩個透明PMMA部件連接表面之間放置能量吸收器焊接的部件。幾乎所有的顏色混合現(xiàn)在都可以通過透射激光焊接技術(shù)焊接。填料含量高的塑料可能會出現(xiàn)主要問題，因為上面的零件不能讓激光束通過連接部位。在這種情況下，需要減少填充物、更改粒子大小、減少光的散射或考慮其他焊接工藝。
圖2:連接距離處用IR吸收器透射的激光焊接。
透射激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域包含：
醫(yī)療器械
包裝
汽車零部件
消費者產(chǎn)品
電子封裝
纖維紡織
這種技術(shù)應(yīng)用在紡織品上很有趣。該工藝為只有連接表面而不是熔體外部表面的織物提供了新的焊接方法。這樣一些纖維就不會融化，面料強度不變，一般柔韌性也不變。圖4顯示了防水夾克的設(shè)計，其中在防水面料復(fù)合層進行連續(xù)、密封的重疊焊接。這為防水服裝、個人防護服和其他紡織服裝的進一步自動化打開了潛力。
圖3:用IR吸收器焊接透明PMMA的容器激光束被引導(dǎo)到容器壁下，幾乎看不到焊接痕跡。
該工藝還延伸到纖維增強聚合復(fù)合材料，其中復(fù)合材料的基材通過激光源加熱和溶解，纖維增強材料在此過程中保持不變。
透射激光焊接可用于玻璃纖維或聚合物纖維增強復(fù)合材料及填充物含量不高的基材。如果使用碳纖維或器材為黑色或充電量大，則無需激光束通過零件即可直接使用激光焊接方法。
圖4:這件防水外套有激光焊接縫，比縫合縫或防水接縫的防水技術(shù)更有效率(圖由TWI提供)。
直接激光焊接
激光能量不通過選定的輻射波長或材料類型而穿透材料時，塑料上表面開始熔化。該連接方法稱為直接激光焊接。CO2激光器首先用于這個過程。薄薄膜的焊接預(yù)計會達到非常快的速度。可以看到各種類型的塑料薄膜以高達1200 m/min的速度焊接的例子。控制激光束的功率分配，切割彼此接觸的兩個塑料薄膜，在切割邊緣留下焊接區(qū)域，在包裝或包制作過程中同時完成切割/密封加工。
圖5: 67 W 1940 nm摻雜光纖激光器，以4.5 m/min的速度焊接，在PMMA中熔體深度達到3mm。
對于厚度為0.2-5 mm的塑料，可以使用波長為2-3 m的激光源進行傳統(tǒng)對接焊接(圖5)和其他類型的連接。不需要額外的吸收器，但要控制塑料的滲透性能，使焊接質(zhì)量保持穩(wěn)定。
結(jié)論
聚合物產(chǎn)品可以使用多種加工機制(輻射波長與材料一致)和多種設(shè)備類型(如門架、機器人、掃描儀或固定輔助管陣列)進行激光焊接。激光為準確的加熱和局部熔化提供了有效的能源。焊接速度快，強度高，外觀漂亮。使用非常緊湊的二次管和光纖激光源，可以獲得高效的焊接工藝，使高水平的自動化變得容易，因此被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)和產(chǎn)品類型。
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