塑料的锁定和热熔性匹配以及激光焊接

塑料锁定和激光焊接

与包括医疗设备和汽车零件在内的众多应用中的传统接触方法相比，基于激光的焊接对塑料具有几个重要优势。

工业激光器用于在许多市场加工工程塑料。例如一些常见过程的示例，包括激光打标、切割和焊接。激光塑料焊接领域公认的市场包括汽车和医疗设备。

激光塑料焊接的基本原理

与传统的接触方法相比，基于激光的焊接对塑料有几个重要的优势。激光焊接是一种在焊接点的非接触式工艺，通常发生在重叠部分的界面处。因此，焊接区被封装。这会产生美观的焊接，它是无菌的，不会污染被连接部件的表面。看起来有点违反直觉的是，已经相互接触的零件可以从上到下焊接在一起，而不会对其外表面造成干扰。使用传统的塑料焊接技术，如超声波或热冲压，与塑料的外表面接触零件被焊接在一起是不可避免的。非接触式激光塑料焊接的工作原理是激光在被连接的聚合物链内部分透射、反射、散射和吸收。通过仔细选择塑料和激光的光学特性，可以在目标位置产生足够的热量，将材料熔化并熔合在一起。

激光焊接工艺的设计应在产品开发的早期建立。尝试将激光焊接工艺改造到最初不是为激光焊接而设计的塑料产品上有时会奏效。然而，在塑料产品开发的早期阶段采用激光制造原理设计将大大减少后期的可制造性问题。

激光塑料焊接的设计注意事项

塑料产品具有机械、几何、热和光学等特性（图1）。从根本上说，塑料组件的激光焊接性可大致由以下因素决定：

选择的材料是否兼容？兼容性是指要焊接的两个塑料部件的熔化温度和化学、机械、几何和光学特性。

激光束能否有效地穿过顶层材料到达接合界面，而底层材料能否吸收激光束在需要的地方产生热量？

在焊接过程中，零件能否正确固定在一起，施加的力是否可以控制？零件的几何形状是否导致零件之间没有间隙的良好配合？

在给定几何形状的情况下，传递到零件的激光束能否以有效的方式分布和控制？

热和化学相容性

塑料在比金属低得多的温度下熔化和分解。工程塑料的典型熔化温度约为250°C。有些塑料的熔化温度要高得多，例如聚醚醚酮(PEEK)，它在350°至400°C的范围内。熔化温度的密切相容性将有助于熔池的混合并提高再凝固时的机械强度。在熔化温度上相对紧密匹配的某些塑料组合是塑料焊接的良好候选者。塑料的化学成分也是一个因素。例如，尝试将高密度聚乙烯(HDPE)焊接到聚丙烯(PP)上不会成功，但可以将低密度聚乙烯(LDPE)焊接到聚丙烯(PP)上，即使聚乙烯属于同一家族.

匹配光学特性

材料加工中的激光器通常会发射一种波长或非常窄的波长带宽的光束。与自然光不同，激光束是连贯且可聚焦的。近红外和红外波长最广泛用于800nm至2µm的塑料焊接，通常使用高功率二极管激光器。这些波长比人眼可见的波长更长，例如在可见光谱中为532nm的绿色和635nm的红色。使用800至2000nm波长，要焊接的塑料必须在此范围内表现出一定程度的透射和吸收。塑料在某种程度上是半结晶结构并具有非晶相和结晶相。当激光束照射在塑料内的非晶相和结晶相之间的折射率差异时，除了必要的透射和吸收外，还会引起光散射和反射。这对激光焊接可能是有益的，也可能是障碍，这取决于这些影响的程度。这些特性的设计组合有助于实现激光束通过顶部塑料部件的传输和在下部的吸收（图2）。有时，母料中会加入添加剂以使聚合物吸收激光。在设计阶段应该考虑产品中是否可以接受添加剂——例如，用这种塑料制造的医疗设备会获得FDA的批准吗？这对激光焊接可能是有益的，也可能是障碍，这取决于这些影响的程度。这些特性的设计组合有助于实现激光束通过顶部塑料部件的传输和在下部的吸收（图2）。有时，母料中会加入添加剂以使聚合物吸收激光。在设计阶段应该考虑产品中是否可以接受添加剂——例如，用这种塑料制造的医疗设备会获得FDA的批准吗？这对激光焊接可能是有益的，也可能是障碍，这取决于这些影响的程度。这些特性的设计组合有助于实现激光束通过顶部塑料部件的传输和在下部的吸收（图2）。有时，母料中会加入添加剂以使聚合物吸收激光。在设计阶段应该考虑产品中是否可以接受添加剂——例如，用这种塑料制造的医疗设备会获得FDA的批准吗？

某些塑料（如聚酰胺(PA-66)，通常称为尼龙）中的玻璃纤维含量会影响光线通过它们的传输，尤其是在玻璃纤维浓度较高且透射率较低的情况下。关于塑料的一个常见问题是，哪些颜色可以焊接在一起？没有简单的答案：许多组合都是可能的，即使是相同颜色的材料，如透明到透明、白色到白色、黑色到黑色，也可以通过精心设计的构图进行组合。尽管可见光不透过有色塑料，但对于单一激光波长而言，情况可能完全相反。

沿零件末端有足够的零件装配和固定力

设计师必须始终设法确保零件的几何形状能够通过装配组件的良好装配和可接近的接头进行激光塑料焊接。激光焊接不擅长通过气隙传递热量，重要的是接头的组成部分相互接触。搭接焊配置实现了这一点。在某些情况下，对接焊缝是可能的，并且很大程度上取决于激光束如何应用于焊缝以及生产塑料零件的成型机的零件公差。将盖子焊接到容器上就是很好的零件装配示例。

焊接过程中的向下力对于某些复杂的零件来说是必不可少的，尤其是那些难以在其边界周围自然地实现良好装配的大型零件。夹紧力可以由伺服驱动器产生，也可以通过气动夹紧产生。塑料焊接有一个塌陷力，它决定了热的熔化塑料在开始显着变形之前可以承受多大的力，以及熔化时需要多大的力才能将零件推到一起。力位移传感器通常集成到激光塑料焊接工具中，以监测和控制在焊接周期中施加到组件上的力。

有效分配和控制激光产生的热量

在激光焊接中，有几种将激光束传送到工件的方法。使用笛卡尔轴系统，固定激光塑料焊接头和XYZR工作台运动系统之间存在相对运动，就是一个例子。由于在起点和终点以及方向变化所需的加速度，这些设备可能不会导致大零件的均匀加热。然而，这种方法很灵活，因为激光路径可以通过CAD数据生成。高速振镜扫描头的使用允许激光束以高达10m/s的速度极快地移动。以非常高的速度和足够的功率在焊缝周围扫描可以几乎瞬间加热整个焊缝从一端到另一端。这减少了笛卡尔轴系统产生的同时加热和冷却的影响。

另一种不太灵活的方法是通过掩模激光照射零件。在这种情况下，掩模孔采用所需焊缝的形状，但必须在每次改变设计时制造。有时，会使用专门的激光透镜，产生线焦点，沿定义的长度提供缝焊。在此过程中可能需要控制光功率，这也可以通过高温计在焊接期间测量工件温度并将此信息反馈到激光控制器中的功率控制回路来实现。

概括

激光塑料焊接存在许多相互依赖关系，并且在设计复杂零件和特殊材料的解决方案方面具有重要的工程意义。激光塑料焊接在工业中的应用令人印象深刻，从汽车灯组件到喷墨打印机墨盒的各种大批量产品都经常采用激光塑料焊接。

本文旨在解释激光焊接塑料时必须考虑的一些基本注意事项。最重要的是，产品本身的设计必须考虑到激光焊接——这就是为什么产品设计和工艺开发团队应该在产品设计和开发阶段的早期与客户采用协作方法，认识到上述几点。用于生产复杂塑料产品的模具制造成本非常高，模具设计人员必须在最终确定模具设计之前了解围绕激光焊接的制造问题的设计。这将确保脱离模具的零件几何形状随后可以进行激光焊接。