塑料激光焊接工藝發展和應用前景

來源:每日塑料    關鍵詞:塑料激光焊接, 應用前景, 工藝,    發布時間:2019-06-13

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簡述塑料材料的發展機遇,介紹塑料激光焊接的原理、方法和應用。塑料激光焊接技術可以解決大部分塑料制品之間的組裝和固定問題,特別對于精密的電子元件和要求無菌環境的食品類、醫療類產品,激光焊接的優勢尤為明顯。同時也介紹了一些解決塑料激光焊接技術屏障、改善聚合物激光透射率和吸收率的新材料、新工藝、新方法。本文主要介紹了塑料激光焊接工藝發展和應用前景。


塑料作為一種常用材料, 已經作為僅次于金屬的第二大材料體系。 塑料不僅可以被制作成各種塑料產品,也慢慢作為金屬以及其他材料的替代料在使用。 所謂塑鋼比,即一個國家生產塑料和鋼材數量的比值, 塑料的產量也作為衡量國家發達程度中重要的衡量標準之一。 比如在發達國家中,塑鋼比基本維持在 65:35 左右,我國僅為 30:70,人均塑料消費量與世界發達國家相比還有很大的差距。塑料制品的應用范圍相比金屬更為廣泛,我國珠三角、長三角龐大的塑料產業鏈和配套的產品鏈為我國塑料制品行業的發展提供了強有力的支撐。 隨著我國 GDP 以及國民生活水平的不斷提高,塑料行業將迎來新的發展機遇,并有機會不斷突破。


1 、塑料的組成和應用

塑料是以單體為原料, 通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物。 通過工藝調整,可以自由改變聚合成分及形體樣式。 各種塑料制品就是塑料與填料、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、色料等添加劑組合而成。

塑料是重要的有機合成高分子材料,應用非常廣泛。 比如農業上的地膜,大棚膜,排灌管道等;電氣和電子工業上的絕緣材料和封裝材料;機械工業上的齒輪、軸瓦等;化學工業中的各種容器及其他防腐材料;建筑工業中的門窗,樓梯 扶手,隔板,水管等;國防工業上的武器,重兵器,人造衛星等;包裝領域的容器,瓦楞箱,打包帶等。 醫學上的醫學儀器,醫用品等。 我們每天也都在與塑料制品打交道,家用電器,家具,塑料袋,保鮮膜,牙刷,廚具,衣服,鞋等,塑料已經成為日常生活中不可或缺的重要材料。


2 塑料材料的基本特性

塑料的主要成分是樹脂。 樹脂是指尚未和各種添加劑混合的高分子化合物。 塑料的基本性能主要決定于樹脂的本性,但添加劑也起著重要作用。 塑料中樹脂含量一般在 40%以上,100%的樹脂塑料相對較少,如有機玻璃、聚苯乙烯等。 同時,為滿足巨大的塑料市場,除天然樹脂外,合成樹脂儼然成為最為有效的塑料原料獲取方式, 是兼備或超過天然樹脂固有特性的一種樹脂。

塑料材料的基本特性:大多數塑料質輕,化學性穩定,抗腐蝕能力強,不與酸、堿反應,防水防塵;耐沖擊性好,強度高;具有較好的透明性和耐磨耗性,部分帶光澤;絕緣性好,導熱性低;制造、加工成本低,容易被塑制成不同形狀,成型性、著色性好;大部分塑料耐熱性差,熱膨脹率大,易燃燒;尺寸穩定性差,容易變形;多數塑料耐低溫性差,低溫下變脆,容易老化;可以用于制備燃料油和燃料氣,可以降低原油消耗;部分塑料易溶于溶劑。

一般塑料分為熱固性與熱塑性二類。 熱固型塑料的微觀結構為線型交聯成網狀,強熱則會分解破壞其分子結構,不具有循環重復性, 所以不能用于焊接。 熱塑性塑料加熱后會熔化,分子結構不改變,可流動至模具冷卻后成型。 此類塑料雖然沒有明顯的熔沸點(塑料為混合物),但冷卻后呈固態,再加熱后又會熔化,即為物理變化,遂此類塑料具有可焊接性。

因此不是所有塑料都能用激光焊接焊接。 傳統塑料激光焊接技術僅針對熱塑性塑料的焊接。


3 塑料激光焊接原理

激光焊接技術顧名思義,即通過激光產生高溫溶解,對兩件產品進行固定的技術。 塑料激光焊接技術主要用于連接敏感性的塑料制品,例如 PCB 電 路 板、精密塑料零件電子感應器、真空塑料制品,以及無菌醫療器械等要求密封及潔凈度高的塑料制品。



利用激光焊接技術進行塑料零件焊接時, 首先需要增加適當的外力將兩個零件之間需要焊接的區域夾緊, 調整適合零件材質的近紅外線激光的波長,激光先透射過第一個零件,被第二個零件吸收并化為熱能, 從而將兩個零件的接觸表面熔化形成焊接區,完成焊接。


現階段可通過涂料技術簡化焊接過程, 即在第一個零件末端增加可吸收近紅外激光的涂層, 激光透射過第一個零件到達末端后被吸收,融化焊接區,實現焊接。 此種方式對第二個零件的塑料材質不做過多的限制,應用范圍更廣。


4 塑料激光焊接常用焊接方法

在實際應用中,塑料激光焊接有幾種常用的工藝方法:順序型周線焊接: 激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動并使其熔化,將塑料逐漸粘結在一起。 主要用于規則外形且有焊接速度要求的零件。

同步焊接:使用帶有多個激光口的激光發射器,通過光學器件調整激光束的方向和形狀;激光束通過程序引導,沿著焊接層的輪廓線焊接,使整個輪廓線同時熔化并粘結在一起。 主要用于焊接面積較大,且焊接一致性要求較高的零件。

掃描焊接:又稱準同步焊接,綜合了上述兩種焊接技術。利用光學器件產生高速激光束,沿著待焊接的部位移動,使得整個焊接處逐漸發熱并熔合在一起。 此方案對于激光發射設備要求較高。

照射掩膜焊接: 通過預先制作的模板遮擋無效區域的激光束,只暴露出精確的焊接部位,對焊接區域進行熔化,實現焊接過程。 這種焊接技術精度高,是目前應用較廣的激光焊接技 術,設 備 通 用 性 強,模 板 制 作 簡 單、成 本 低,可 以 實 現 低 至10μm 的高精度焊接。



5 塑料激光焊接的優勢

塑料激光焊接相比于超聲波焊接以及熱板焊接的優勢包括:焊接速度快,適用于精密器件焊接,可以得到高精度的焊接件;能產生真空密封結構,防水防塵;焊接牢固,能夠制造出超過原材料強度的焊接縫;焊接過程中樹脂降解少,熱損壞和熱變形小,無飛邊,焊縫嚴密,沒有殘渣,非常適用于醫藥制品及精密電子類產品。激光本身由計算機軟件控制,易于調整,可靈活透射到零件各個部位。 同時,激光焊接能夠焊接其它焊接方法無法達到的區域,對于復雜外形、三維幾何形狀的制品尤為適用。

塑料激光焊接是一項無振動焊接技術, 該工藝大幅減少塑料制品的振動應力和熱應力,降低制品本身的老化速度,可應用于易損壞的塑料零件。

塑料激光焊接可以將不同組成、不同顏色、不同結構以及不同軟化點的塑料零件焊接在一起。 對于其他焊接方法很難實現或者無法實現。焊接設備即為激光發射裝置, 其本身并不需要和被焊接塑料零部件相接觸,設備自動化程度高,方便加工。


6 塑料激光焊接應用

由于塑料激光焊接工藝本身的優勢特點, 現階段重點應用在精密塑料電子元件領域、無菌醫療領域、食品藥品領域、汽車領域等高科技領域上。

由于激光焊接可以靈活透射到精密器件上, 在精密塑料電子元件領域應用最為廣泛,例如手機零部件(機殼,耳機座,USB 座),鼠標,連接器,開關,傳感器等。由于激光焊接可制作出密封以及真空的無菌產品, 在醫學器械以及無菌環境設備領域也有著不俗的表現。 例如輸液袋、導管、過濾器材、軟管接頭、助聽器、支架等。由于激光焊接還可以將塑料薄膜焊接在一起, 形成一個包裝用的封體結構,操作方便快捷。 主要應用食品藥品包裝以及其他需要無菌和密封的領域。由于激光焊接速度快, 同時適用于大型塑料零件焊接的特點,在汽車領域塑料零部件的流水線加工上隨處可見。 例如自 動 門 窗 開 關、噴 油 嘴、變 速 箱 支 架、發 動 機 傳 感 器、液 壓 油箱、水箱導管,過濾閥門支架、車燈等。

對于那些結構非常復雜的三維幾何體塑料零件的焊接,也可以使用激光焊接技術, 可以滿足 360°無死角的焊接工藝特點。


7 塑料激光焊接新技術新工藝

研究表明,如果采用激光焊接技術,必須要求需焊接的兩個塑料零部件中的一件對近紅外線激光的透射率在 20%以上,才能獲得良好的焊接效果,即激光產生的能量必須透過塑料,在焊接區域被塑料吸收才能完成焊接過程。 所以絕大多數的塑料都能夠滿足此透射率要求, 還是有少數塑料無法使用此焊接技術。

相反,透射率低的塑料其吸收率也就偏高。 如果材料透射率低, 其對近紅外激光的吸收率會很大, 從而降低焊接熱效率,也會引起不同程度的熱變形;如果材料透射率低,其對近紅外激光的吸收率會很小, 激光能量無法被有效吸收而導致熱能不足,無法實現焊接過程。

在實際生產中,一塊為透光性材料,另一塊為不透光性材料的焊接方式最為普遍。 對于不透光的兩個材料(透光率小于20%),激光焊接的應用還存在一定局限性。 而對于兩塊透明材料(透光率大于 50%)而言,可通過在焊接面加入適量的炭黑涂料,大幅提高其對近紅外激光的吸收率,滿足焊接要求。此外,許多礦物填充的化合物,也不適宜用激光來焊接。為增加塑料激光焊接工藝的適用范圍, 克服材料本身透光率問題,涂層以及涂料工藝在我國已經發展成熟,并廣泛應用在透明材料以及透光率高的材料焊接中。 涂料在激光的照射下發熱并熔化相鄰層的材料,進而達到焊接的目的。

對于兩塊黑色或不透光塑料, 由于材料本身對激光的吸收率很高,激光無法透射到焊接區域,在過去用激光焊接工藝是不可能實現的。 隨著塑料原材料產業不斷升級,此問題已經得到有效解決,即在兩塊黑色塑料中加入特殊的填料和色料,使其在外觀看起來是黑色的,但對于激光卻是透明的,從而實現黑色材料之間的激光焊接。BASF 公司研發出能透過激光的黑色塑料原料尼龍和PBT,即外觀可以呈現黑色,也有著很高的近紅外線激光透射率。 杜邦公司也推出了幾種黑色的塑料(POM 和尼龍),其近紅外線激光透射率達到 25%~55%。

Gentex 公司 Clearweld 的開發,在涂層和涂料領域處于領先地位,主要是致力于兩塊透明塑料的激光焊接方案。 原先的涂料本身為黑色或深色, 在透明塑料上增加有色涂料會影響產品外觀效果。Clearweld 原料為無色,能吸收大多數近紅外激光,其特點就是消除涂料本身的影響,同時也拓展了激光焊接的顏色范圍,不僅適用于透明制品,對于色彩清淡的制品都可以使用激光焊接工藝。


8 塑料激光焊接技術應用前景

目前國內塑料激光焊接設備的研發生產還處于起步階段,大部分設備需要依靠進口。 同時,塑料激光焊接技術也是很專業化的粘結技術, 目前主要應用的行業都集中在高科技領域,并處于逐年上升趨勢。 該技術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,成本也在不斷降低。 涂料和填料技術的發展已經成功解決塑料激光焊接早期的技術瓶頸,同時新工藝、新設備的不斷研發和升級,為激光焊接技術帶來更廣闊的應用前景。

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