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                      塑料加工用激光焊接技術(三)

                      2008-7-25 10:29:00

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                      塑料加工用激光焊接技術(三)
                          應用  

                          在汽車工業,激光焊接塑料技術可用于制造很多汽車零部件,如燃油噴嘴、變檔機架、發動機傳感器、駕駛室機架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應用還包括進氣管光歧管的制造以及輔助水泵的制造。

                      圖 4: 激光焊接技術加工的汽車前燈,使用了可以聚焦激光同時還起到夾持工具作用的玻璃球面

                      圖 4: 激光焊接技術加工的汽車前燈,使用了可以聚焦激光同時還起到夾持工具作用的玻璃球面

                          在醫學領域,激光焊接技術可用于制造液體儲槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。

                      圖 5: 激光焊接技術制造的微流體器件,利用了該技術的高精度的特點

                      圖 5: 激光焊接技術制造的微流體器件,利用了該技術的高精度的特點

                          激光焊接是一項無振動技術,因此它特別適合用于加工精密的電子元器件。通過激光技術制造的器材有鼠標、移動電話、連接器件等。激光技術制造的汽車電子產品有自動門鎖、無鑰匙進出設備以及傳感器等。
                       
                          激光還可以將塑料薄膜焊接在一起,它沿著薄膜的邊緣移動,通過粘接作用形成一個包裝用的封體結構。操作過程可以完成的非???。根據TWI公司的資料,它使用100W的二氧化碳激光可以以100米/分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。 

                      圖 6:激光焊接兩聚乙烯薄膜的顯微圖象

                      圖 6:激光焊接兩聚乙烯薄膜的顯微圖象


                          最新發展  

                          在激光技術發展的早期階段,該技術將兩個透明的塑料焊接在一起是不可能的?,F在在兩層塑料之間的接觸處紅外吸收涂料的作用下,可以實現兩種透明材料之間的粘結。涂料在激光的照射下發熱并熔化相鄰層的材料,進而達到粘結的目的。 

                      圖 7: 塑料表面接觸處的激光吸收涂料發熱并連接通常不可焊接的透明材料層

                      圖 7: 塑料表面接觸處的激光吸收涂料發熱并連接通常不可焊接的透明材料層


                          兩層黑色塑料在過去用激光來焊接也是不可能的,這是因為激光能量在到達焊接界面之前就已經被吸收。但現在我們可以在上層塑料中加入特殊的顏料,使其在肉眼看起來是黑色的,但對于激光卻是透明的,這樣就可以實現黑色材料的焊接。顏料能夠保證足夠的激光能量透過上層材料以便在兩層接觸面上產生熔化。 

                          結論  

                          激光焊接塑料技術是很專業化的粘結技術,當要求高速焊接以及要求精密焊接或無菌條件焊接時,這就可以發揮出激光焊接最好的優勢。該技術曾經受制于價格因素,但是隨著設備價格的不斷下降,已經在很多應用領域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競爭力。激光焊接技術主要的應用領域有醫療、汽車、電子和包裝等領域。由于助劑和涂料技術的發展克服了激光焊接技術早期應用的限制條件,所以激光焊接技術的深入廣泛使用在很大程度上要歸功于它們的進步。  

                          塑料激光焊接技術的利弊分析  

                          激光焊接技術是用通常存在于電磁光譜紅外線區的集束強輻射波,熔化接頭區的塑料。所用激光的類型和塑料的吸收特性決定可能焊接的程度。
                        
                          激光焊接也極大地減小了制品的振動應力和熱應力。比采用其它連接方式所產生的振動應力和熱應力小,意味著制品或者裝置的內部組件的老化速度更慢。這個特點為將激光焊接應用于易損壞的制品(如電子傳感器)提供了一個機會。 
                       
                          很多種類不同的材料能夠用激光焊接在一起,激光焊接使用近紅外線激光(NIR),波長在810到1064納米。首先,兩種制品在低壓力下被夾緊在一起,近紅外線激光穿過一個制品(近紅外線激光透射)然后被另外一個制品吸收(近紅外線激光吸收)。吸收近紅外線激光的制品將光轉化為熱,然后在制品的接觸面處熔化,同時熱也傳導到透射近紅外線激光的制品的表面,形成一個焊接區。焊接縫的強度能夠超過原始材料的強度。舉例說,激光焊接將能透過近紅外線激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)連接在一起。其它的焊接方法不能將兩種在結構、軟化點和增強材料等方面如此不相同的聚合物連接起來。激光焊接最擅長于焊接具有復雜外形(甚至是三維的)的制品,能夠焊接其它焊接方法不易達到的區域。
                        
                          塑料激光焊接技術在各個領域,例如在國防和醫學領域的成熟應用有助于使它應用于塑料連接方面。自90年代中期以來,二極管型和釔鋁石榴石型激光器已經向著有利于塑料連接的方向發展。這些激光器的功率顯著增大,而它們的成本在過去五年內下降了大約90%。已經發現大多數塑料能有效透射二極管激光器(810到940納米)和釔鋁石榴石激光器(1064納米)所發射的激光或者接近它們波長帶的激光。(二氧化碳激光器發射的激光容易被塑料吸收,這將導致塑料燃燒的危險)。 
                       
                          激光焊接沒有殘渣的優點也使它比較適合應用于以下制品∶食品及藥物管理局(FDA)管制的醫藥制品,汽車制品和其他的電子傳感器。  

                          已經證明,二極管激光器和釔鋁石榴石激光器用于塑料焊接時,它們有良好的適應性。例如,可以將二極管激光排列起來以生成復雜的線狀焊縫。還可以將二極管激光發射器組合堆積起來,以獲得特殊應用所需要的高焊接功率。 
                       
                          激光焊接方式對一些材料而言也存在著部分局限∶一是高性能聚合物,如PPS、聚(PEEK)和LCP,由于這些材料對近紅外光的透射率很低,因而不適合激光焊接方式;另一個不足之處是當兩種材料中都填充炭黑時,由于兩種材料都是黑色,它們是不能被焊接在一起的。這對于汽車外殼下的設備和其他黑色的裝置采用激光焊接來說是一個障礙。  

                          同樣,兩種對近紅外線激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于對近紅外光的吸收很少,所以也不能用激光焊接起來。這對于醫藥,包裝和消費產品來說是一個很大的缺點,因為這些產品都要求透明。  

                          最后,由于許多礦物填充的化合物能夠吸收近紅外線激光,所以通常不適合用激光焊接。高填充的玻纖增強物能夠改變近紅外線激光的透射率,降低焊接效率,不過原料供應商的配方中的玻纖含量通常不會超過這個限度。 

                          塑料激光焊接設備 

                          目前國內塑料激光焊接設備才開始起步,大多處于摸索階段。比如國內最早生產激光焊接機的武漢華工激光工程有限責任公司就推出了采用半導體激光器做為光源的塑料焊接機,根據客戶的工件形態,分別有: 

                          1、 基于振鏡運動方式的塑料激光焊接機,主要用于平面焊接; 

                          2、 基于電動工作臺三維運動的塑料激光焊接機,主要用于三維曲線的焊接。
                       
                          同時結合客戶產品特點定制各種工裝夾具,選擇合適的激光添加劑配方,為客戶提供交鑰匙工程。
                       
                       
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