激光焊接工程塑料

塑料激光焊接和超聲波焊接。

概述

熱塑性塑料激光焊接是一種具有諸多優點的新型連接技術。它不僅非常高效，而且為用戶提供了替代傳統螺釘/粘合劑連接技術的成本效益高的解決方案。

該工藝特別適用于電子或醫療設備中使用的敏感部件的連接，因為只有連接區域受熱，沒有機械應力。

本文描述了激光焊接的原理、部分工藝變化和工藝對材料的要求，并列出了適合本工藝的聚合物產品系列。

優點

與傳統焊接技術如熱工具焊接、振動焊接和超聲波焊接相比，熱塑性激光焊接工藝具有許多優點：模具零件無機械應力只需少量加熱焊接不同剛度的零件無接觸（模具零件無熔化螺釘、無痕跡）可焊接不同粘度的材料幾乎無腐蝕效果可修復焊接接頭塑料激光焊接的應用。

但同時需要注意的是，激光焊接比傳統焊接技術對聚合物材料、加工歷史、染色和添加劑更敏感。透射焊接（也稱為搭接焊接）是目前最有效的改進。激光焊接塑料常見問題。

工藝描述

在激光焊接過程中，輻射能被材料吸收并轉化為熱能，并在連接區域實現局部熔化（圖1）。因此，對透射過程最基本的要求是選擇合適的材料組合。

短波紅外輻射應能夠幾乎不受阻礙地穿透上部連接器，并在下部連接器表面下0.1-0.5mm處完全吸收，將輻射能轉化為熱能(1)。吸收區部分連接器的熱熔化(2)。材料熔化后，體積增大，接縫填充。由于上下連接器相互接觸，熱量在兩者之間傳遞(3)。激光通過的部件也被傳遞的熱量熔化(4)。

圖1透射焊接工藝圖

輻射源(激光)和聚合物的光學性質

歐卡德塑料激光焊接機。

吸收強度取決于材料、添加劑和激光源的波長。輻射光學性能可通過材料改性控制在一定范圍內。吸收光譜描述了波長對入射能轉化率的影響。反射光譜和透射光譜主要研究波長對反射和透射的影響（圖2）。

海賓斯塑料激光焊接機。

圖22mm厚Ultramida塑料板的反射光譜和透射光譜塑料激光焊接機。

透射性的要求決定了只有短波紅外光源才能用作塑料透射焊接的主要射線源：固態激光器（釹鋁石榴石激光器、波長=1064納米）和高能二極管激光器（波長=800-1000納米）。

無論聚合物使用什么填充劑或添加劑，中波和長波的紅外輻射都會被表面完全吸收。這意味著二氧化碳激光器（波長=10，600納米）不能用于薄膜焊接。

最新一代高能二極管激光器具有體積小、成本效益高、效率高等優點，但這些激光器聚焦能力弱，不能通用。塑料激光焊接廠家。

可變及重要工藝參數

當吸收能力弱的熱塑性塑料與化學相容性高的吸收材料相匹配時，也適用于激光焊接。因此，需要仔細選擇激光功率和激光透射材料，使激光束的能量密度足以熔化吸收材料。

激光束穿透塑料的深度受到激光束波長化學成分形態、添加劑（纖維、色漿、增塑劑和填充劑）的性質和數量等多種因素的影響

3：影響激光束滲透深度和焊接質量的因素

非結晶熱塑性塑料只能吸收入射激光的一小部分，因此理論滲透深度可達100mm或以上。半結晶熱塑性塑料的光學性能差異很大：二次晶體結構（如球粒）會導致激光束散射。透明塑料激光焊接。

填料及增強材料

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一些填料和增強材料通常用于工程塑料，它們可以散射或吸收入射紅外線。雖然玻璃纖維本身可以通過紅外線，但纖維和基底之間的許多界面可能會延長光徑，導致輻射能量分散，減少穿透能量。

顏料或染料的含量在彩色塑料中起著非常重要的作用。滲透深度越小，破壞材料的風險就越小。當顏料含量較低時，吸收激光的連接器的熔化深度相對較大，但不會對材料造成熱損傷。增加的膨脹體積可以延長熔融物的接觸時間，最終提高焊接強度。因此，我們可以通過添加填料和/或顏料來調整吸收和透射，甚至使表面吸收層的厚度達到幾微米。

在控制狀態下添加一些添加劑可以生產彩色塑料。雖然肉眼的顏色沒有區別，但它可以顯示透射焊接所需的不同吸收行為。

工藝參數

為了保證焊接質量，焊接速度和激光功率必須控制在最大/最小范圍內。由于擴散過程需要在一定時間內保持高溫，進料速度過快或激光功率過低會影響焊接質量。另一方面，如果進料速度過慢或激光功率過高，可能會導致材料分解。

適用材料

PSU等非結晶熱塑性塑料對常見波長具有理想的透射性。相反，PA、即使在沒有添加劑的情況下，PBT和POM等半晶體熱塑性塑料也能吸收和反射相當一部分激光能量(表1)。

激光塑料焊接。

1：激光焊接適用于各種熱塑性塑料激光塑料焊接技術。

工藝的變化

目前，已經出現了大量的改進過程。它們都是基于透射原理，具體的過程應該根據情況而有所不同。以下將介紹每個改進過程及其特點。塑料激光焊接打標。

周線焊接手持式激光塑料焊接。

塑料激光焊接視頻。

4：周線焊接圖

周線焊接是一種順序焊接工藝；在周線焊接中，激光束延伸可自由編程的焊縫輪廓，或由零件和固定激光束（圖4）進行相對運動。該工藝主要采用圓形光纖耦合激光系統。根據激光器的類型和光學性質，焊接寬度可在0.1mm到幾mm之間變化。

具有復雜三維形狀的零件可采用周線焊接工藝，并能在不同形狀的零件之間快速切換。

由于焊點的熔化需要依次進行，熔體不允許流出，因此該工藝要求接縫寬度較小。

同步焊接

5：同步焊接圖

在同步焊接過程中，高能二極管激光器發出的激光線性繞組接頭為一周（圖5）。焊接同時熔化整個輪廓。二極管激光器的數量取決于部件的大小和焊接功率。雙層不透明塑料用激光焊接。

該過程不需要部件和激光束之間的相對移動，也不需要指導激光束。但每次更改焊接部件的形狀或設計時，都需要重新安排二極管激光器或使用新的焊接工具；此外，該過程只適用于輪廓由直線組成的部件。

同步焊接的優點是加工時間很短，特別適合大規模生產。塑料激光焊接機價格。

同步焊接或掃描焊接準確

6：準同步焊接圖

準同步焊接結合了上述兩種焊接技術的優點。它采用檢流計反射鏡（掃描儀）引導激光束沿焊接部件輪廓以10米/秒以上的高速移動（圖6），使整個焊接部位逐漸加熱并熔合在一起。與同步焊接不同，準同步焊接在焊接部件形狀上具有高度的靈活性。

但本工藝僅適用于大小不超過2000的工藝×焊接件為200mm，通常只能用于平面焊接。在準同步焊接過程中，熔體可以施加壓力流出，以補償模具部件的公差。準同步焊接的加工時間比同步焊接長，但比周線焊接短。由于工藝偏轉通道長，采用檢流計反射鏡，激光束質量要求高，多采用釹鋁石榴石激光器。

掩模焊接激光焊接點焊。

掩模焊接是最新的焊接工藝。在掩模焊接中，線性激光束橫掃焊接件表面；焊接件表面的掩模僅暴露下塑料層的精確焊接部分，激光束通過掩模定位、熔化和粘結塑料（圖7）。該技術可以實現高精度焊接。激光焊接和點焊哪個好。

結構精細的模具可實現低至10微米的高精度焊接。除焊接板外，還可完成各種寬度的直線和弧焊。因此，該工藝主要用于焊接傳感器、芯片、電子元件或微系統。然而，在焊接部件的形狀發生變化后，需要重新制作模具。

7：掩模焊接圖

2：比較不同的激光焊接工藝

安全與環境

當選擇聚合物材料的焊接工藝時，產生的氣體排放非常少，主要是無危險的CO2和H2O；但是，考慮到微量有毒成分的可能性，我們仍然建議安裝適當大小的排氣和過濾系統。

散射激光可能會對眼睛和皮膚造成傷害，因此在使用激光器時必須嚴格遵守員工安全條例等適用法規。