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塑料激光焊接加工技术(一)

发布日期:2021-04-06 11:31 来源: 点击:

0 前言

新技术为许多新产品的开发提供了现实操作性,如生物医药晶片大部分由塑料片组成。塑料片上有很多μm限度的结构,在进行封装时就需要用到塑料激光精细焊接技术

激光焊接工艺之所以具有吸引力,是因为只用很少的热量输入结构件,因此,只会产生可控的最小熔化量。其结果是可获得很高的焊接强度,并且由于熔化物溢出或气化很少而获得无可挑剔的外观质量。在很小的焊接面积上可以获得很高的强度,使得这种工艺在操作空间受到限制的条件下,比黏接工艺更优越。在新材料、新设备和新技术层出不穷的时代,人们不仅要了解激光焊接的特性、优点和要求,还应认识到此领域的诸多创新和未来趋势,始终处于科技的最前沿。

1 激光焊接技术的基本原理及其特点

塑料的激光焊接是与对材料要求的提高相关联的,这些新的要求通常很难完成。所谓的激光透射焊接一方面要求激光辐射能穿透零件,另一方面要求零件有很强的吸收性能。重要的是,在2个焊接件之间要避免产生裂缝。在激光焊接过程中,吸收性的零件升温并且局部熔化,通过热传导将能量传递到透光的零件,在外部的压力下2个零件结合在一起。所吸收的近红外线激光转化为热能,将两个部件的接触表面熔化,最终形成焊接区。这种焊接方法能够形成超过原材料强度的焊接缝。

目前国内市场上普遍使用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接及超声波焊接等,主要用于连接敏感性塑料制品(含有线路板)、具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品(医药设备)等。应用激光焊接熔接塑料部件,其优点有:焊接缝尺寸精密、不透气及不漏水;焊接牢固,可以得到高精度的焊接件。在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少,不会出现飞边,部件表面能够精密连接;焊接设备不需要和被黏结的塑料零部件相接触,与其他熔接方法比较,大幅减少制品的振动应力和热应力;最小化热损坏和热变形,可以将不同组成或不同颜色的树脂黏结在一起;可焊接尺寸极小或外形结构复杂的零件,对有些复杂零件甚至可以进行“穿透焊接”;无振动技术能产生气密性的或者真空密封结构;能够将多种不同塑料焊接起来,而其他焊接方法有较大限制;设备自动化程度高,能方便用于复杂塑料零部件加工。擅长焊接具有复杂外形(甚至是三维)的制品;能够焊接其他方法不易达到的区域。由于激光焊接具有上述优点,所以特别吸引那些寻求更清洁的方式来熔接复杂部件的加工商,如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。

激光焊接技术是用通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波熔化接头区的塑料。所用激光的类型和塑料的吸收特性决定焊接的程度。激光焊接也极大地减小了制品的振动应力和热应力。比采用其它连接方式所产生的振动应力和热应力小,意味着制品或者装置的内部组件的老化速率更慢。这为将激光焊接应用于易损坏的制品(如电子传感器)提供了机会。

很多不同种类的材料能够用激光焊接在一起。激光焊接使用近红外线激光(NIR),波长在810到1064nm。例如:激光焊接将能透过近红外线激光的聚碳酸酯(PC)和30%的玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)连接在一起。

激光焊接没有残渣的优点也使它比较适合应用于以下制品:食品及药物管理局(FDA)管制的医药制品、汽车制品和其他的电子传感器。二极管激光器和钇铝石榴石激光器用于塑料焊接时,它们有良好的适应性。例如:可以将二极管激光排列起来以生成复杂的线状焊缝;还可以将二极管激光发射器组合堆积起来,以获得特殊应用所需要的高焊接功率。

激光焊接方式对一些材料而言也存在部分局限:高性能聚合物,如PPS,聚(PEEK)和LCP,由于这些材料对近红外光的透射率很低,因而不适合激光焊接方式;当两种材料中都填充炭黑时,由于两种材料都是黑色,它们是不能被焊接在一起的。这对于汽车外壳下的设备和其他黑色的装置采用激光焊接来说是一个障碍。同样,两种对近红外线激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的),由于对近红外光的吸收很少,所以也不能用激光焊接。对于医药、包装和消费品来说,因为这些产品都要求透明。由于许多矿物填充的化合物能够吸收近红外线激光,所以通常不适合用激光焊接。高填充的玻纤增强物能够改变近红外线激光的透射率,降低焊接效率。不过原料供应商的配方中的玻纤含量通常不会超过这个限度。

激光焊接技术最早出现在20世纪70年代,但是由于费用昂贵,无法和更早的塑料黏接技术相竞争,如振动焊接技术、热板焊接技术。但是从20世纪90年代中期开始,由于激光焊接的设备费用下降,该技术才渐渐受到人们的欢迎。当被黏接的塑料零部件是非常精密的材料(如电子元件)或要求无菌环境(如医疗器械和食品包装)时,激光焊接技术就能派上很大用场。激光焊接技术速度快,特别适用于汽车塑料零部件的流水线加工。另外,对于那些很难使用其它焊接方法黏接的复杂的几何体,可以考虑使用激光焊接技术。

2 激光加工新的应用领域

塑料激光焊接技术是一种方兴未艾的非接触焊接技术。同其它焊接方法相比,它具有非接触、不透气、不漏水、焊接速度快、精度高、焊缝强度高、无飞边、无残渣、无振动、热应力最小、易于控制、灵活性好、适应性好等诸多优点。塑料激光焊接技术主要应用于医疗器械、电子元器件、汽车零部件、纺织品、包装工业。与计算机数控技术相结合,激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术,拥有普通加工技术所不能比拟的优势。在过去几十年中,激光焊接在制造行业的应用范围迅速扩大,它已经是一种成熟技术。焊接时,高能激光被聚焦于材料上,使焦点处的材料汽化蒸发形成一个深而窄的入孔,孔随着激光光束在工件表面移动,这就是所谓的“钥匙孔”深熔焊。在焊接过程中,惰性气体(通常是氦和氮)从喷嘴射出覆盖在工件表面以防止氧化。在大功率激光焊接设备中,CO2激光器是最常用的。这种激光器发出光的波长为10.6μm。CO2激光器的混合气体主要是氦(保证产生热量的移动传输)、CO2(激光活性介质)和氮(气体放电产生激发所必需的能量)。CO2激光器在用于薄壁结构的高速焊接时,成本效益尤其突出,如轿车车身的焊接。这种类型激光器的缺点是需要一个非常复杂精巧的系统将激光束发送到工件上。这也意味着这套系统的工作平台缺乏灵活性。如果需要经过很多反光镜来使激光束到达指定位置,那么此时激光柬的品质也将降低。在最近几年,马来西亚云顶集团已看到了一些新产品,像二极管泵激式Nd:YAG激光器、二极管直接激发式激光器,而且它们已开始被应用于商业产品。

塑料的激光焊接技术主要用于普通焊接技术难以适应的塑料制品(如高密度线路板)、形状复杂的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品(如电子传感器等)等。激光便于计算机控制,采用光纤激光器输出激光柬可使激光灵活地到达零件各个微小部位,能够焊接其他焊接方法不易达到的区域。传统焊接技术无法焊接的异型塑料也有机会加以良好焊接。

在高档轿车的保险杠上也应用激光焊接技术。其优点是输入的热量较低、外观好,并可获得很高的焊接强度。保险杠材料大都采用PP,EPDM和10%的滑石粉共混物以及PC,PBT等。以前采用超声波焊接将停车距离传感器的适配器焊接到已经上好漆的保险杠上,然而在强度和外观损伤之间难以达到两全齐美。采用激光透射焊接工艺焊接保险杠的传感器适配器,生产的熔化物很少,因此,没有熔化物溢出。在具有良好强度的同时,外观优美,非常接近黏接的部件口。不过激光焊接的投资费用目前还较高,只有在要求较高时使用才合理。保险杠的结构设计的未来趋势是材料的壁厚越来越薄,这特别适于采用激光技术。除了对材料和加工的新要求之外,采用激光工艺使焊缝的形状和位置有了更大的自由度。由于单位焊接强度一般高达60MPa,并且安装空间将更狭窄,因此为激光焊接的应用创造了很好的机会。

近年来,激光技术已经广泛应用于高密度印刷线路板微通道打孔及芯片封装设备中。最新的世界微通道打孔信息显示,每年有超过300000万m2的高密度多层印刷线路板是用激光来打孔的。目前市场上主要的三种双头激光打孔设备:双头CO2激光系统、双头UV激光系统、混合激光系统(UV和CO2)。有两种比较经济实用的激光技术用于PCB板的微通道打孔:CO2激光,波长在远红外区域,打孔直径大于100μm;W激光波长在紫外区域,广泛用于打孔的直径小于100μm,甚至孔径缩小到小于50μm的情况。随着塑料在汽车、医疗设备及电子等行业的零部件设计、制造上日趋广泛使用,大功率光纤激光塑料焊接系统可完全满足塑料制品的加工过程中快速、有效、干净的塑料焊接方式。

光纤激光焊接塑料技术能形成精密、牢固和密封(不透气和不漏水)的焊接,树脂降解少,产生的碎屑少;易于控制,具有良好的适应性,可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件。极大地减小了制品的振动应力和热应力。能够将许多不同种类的材料焊接在一起。激光塑料焊接技术在欧美等发达国家已经得到了一定的应用,马来西亚云顶集团国在这方面尚是空白。

3 激光焊接塑料的工艺和设备

塑料激光焊接常用方法有:激光束沿着焊缝处快速扫描,达到焊接的目的。通过光学元件将激光束整形,同时在焊缝处产生热量。照射掩膜焊接,激光束仅加热制品上没有被掩膜遮住的部分,可以快速焊接复杂的焊缝。激光束固定,塑料工件置于受程序控制的多维可移动的工作台上。

最常用的激光焊接形式被称为激光透射焊接。该技术的过程为:首先将两个待焊接塑料零部件夹在一起,然后将一束短波红外区的激光定向到待黏结的部位。激光束通过上层透明材料,然后被下层材料吸收。激光能量被吸收使得下层材料温度升高,熔化上层和下层的塑料。上层材料可以是透明的或者是有颜色的,但是必须能够保证有足够的激光通过。过去由于两个透明的塑料层都不能吸收足够的激光能量,利用透射技术将它们焊接在一起是不可能的;同样由于光束不具备足够的穿透能力达到加热焊接接触面的作用,利用透射技术将两个黑色层的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技术进步,已经可以将这两种类型的材料焊接在一起。

塑料激光焊接有几种不同的焊接方式:

(1)顺序型周线焊接

激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化,将塑料层逐渐黏结在一起;或者将被夹层沿着固定的激光束移动达到焊接的目的。

(2)同步焊接

来自多个二极管激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上,并熔化塑料,从而使得整个轮廓同时熔化并黏结在一起。

(3)准同步焊接

该技术综合了上述两种焊接技术。利用反射镜产生高速激光束(至少10m/s的速度),并沿着待焊接的部位移动,使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。

(4)掩模焊接

激光束通过模板进行定位、熔化并黏结塑料,该模板只暴露出下面塑料层的一个很小、精确的焊接部位。使用这种技术可以实现小于10μm的高精度焊接。

塑料的激光焊接越来越成为一种规模化的生产方式。如果用户对焊缝的质量有特殊的要求,他们更乐意采用这种仍然还比较新的技术。相对于传统连接工艺(比如超声波、振动和热风工具焊接),激光焊接工艺已经逐渐取得其市场地位。用户也从它的众多优点中获益。有很多方式可将激光辐射应用到部件上,相应地产生了不同的焊接概念。除了轮廓焊接、同步和准同步焊接外,还有其他方式。多种焊接方式和焊接概念的出现,使得用户可以最佳的方式实现其特定应用的需求。与其他连接方法相比,塑料激光焊接不光在技术上是创新的,而且对于高强度焊缝而言还是一种很高效的方法。投资成本在一定程度上高于其他方法,但是因为维护成本低,不需要使用其他部件,以及激光系统在应用上的灵活性,很快就会收回投资。至少焊缝的高质量,包括高密封性、焊接过程的可重用性,即可保证经济上的优势。

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业中使用较为普遍;而由于塑料激光焊接对光源功率要求不高,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有用武之地。二极管激光器产生的波长范围在800~1000nm之间,这对焊接来说是效率最高的能量区域。它结构紧凑,可以很方便安装在自动化设备上。

塑料焊接有时也使用CO2激光器。它能产生10600nm的光波,这同Nd3+:YAG和二极管激光器产生激光相比,更容易被塑料吸收。但是CO2激光的穿透性能不及其它两种激光器产生的激光。因此,CO2激光器主要用于薄膜材料焊接。使用Nd:YAG或二极管激光的透射焊接技术,能以超过20m/min的线速度将1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。CO2激光器焊接薄膜的速度可以高达750m/min。目前国内塑料激光焊接设备才开始起步,大多处于探索阶段,如国内最早生产激光焊接机的武汉华工激光工程有限责任公司就推出了采用半导体激光器为光源的塑料焊接机。根据客户的工件形态,分别有:基于振镜运动方式的塑料激光焊接机,主要用于平面焊接;基于电动工作台三维运动的塑料激光焊接机,主要用于三维曲线的焊接。同时结合客户产品特点定制各种工装夹具,选择合适的激光添加剂配方,为客户提供交钥匙工程。

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