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華焯塑料焊接

塑料激光焊接工藝發(fā)展和應(yīng)用前景

rongpuiwing 來源:每日塑料2019-06-13 我要評(píng)論(0 )   

簡(jiǎn)述塑料材料的發(fā)展機(jī)遇,介紹塑料激光焊接的原理、方法和應(yīng)用。塑料激光焊接技術(shù)可以解決大部分塑料制品之間的組裝和固定問題,

簡(jiǎn)述塑料材料的發(fā)展機(jī)遇,介紹塑料激光焊接的原理、方法和應(yīng)用。塑料激光焊接技術(shù)可以解決大部分塑料制品之間的組裝和固定問題,特別對(duì)于精密的電子元件和要求無菌環(huán)境的食品類、醫(yī)療類產(chǎn)品,激光焊接的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。同時(shí)也介紹了一些解決塑料激光焊接技術(shù)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(fā)展和應(yīng)用前景。


塑料作為一種常用材料, 已經(jīng)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(chǎn)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(gè)國(guó)家生產(chǎn)塑料和鋼材數(shù)量的比值, 塑料的產(chǎn)量也作為衡量國(guó)家發(fā)達(dá)程度中重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。 比如在發(fā)達(dá)國(guó)家中,塑鋼比基本維持在 65:35 左右,我國(guó)僅為 30:70,人均塑料消費(fèi)量與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距。塑料制品的應(yīng)用范圍相比金屬更為廣泛,我國(guó)珠三角、長(zhǎng)三角龐大的塑料產(chǎn)業(yè)鏈和配套的產(chǎn)品鏈為我國(guó)塑料制品行業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。 隨著我國(guó) GDP 以及國(guó)民生活水平的不斷提高,塑料行業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇,并有機(jī)會(huì)不斷突破。


1 、塑料的組成和應(yīng)用

塑料是以單體為原料, 通過加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物。 通過工藝調(diào)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(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、色料等添加劑組合而成。

塑料是重要的有機(jī)合成高分子材料,應(yīng)用非常廣泛。 比如農(nóng)業(yè)上的地膜,大棚膜,排灌管道等;電氣和電子工業(yè)上的絕緣材料和封裝材料;機(jī)械工業(yè)上的齒輪、軸瓦等;化學(xué)工業(yè)中的各種容器及其他防腐材料;建筑工業(yè)中的門窗,樓梯 扶手,隔板,水管等;國(guó)防工業(yè)上的武器,重兵器,人造衛(wèi)星等;包裝領(lǐng)域的容器,瓦楞箱,打包帶等。 醫(yī)學(xué)上的醫(yī)學(xué)儀器,醫(yī)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(jīng)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(duì)較少,如有機(jī)玻璃、聚苯乙烯等。 同時(shí),為滿足巨大的塑料市場(chǎng),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?zhèn)浠虺^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(shù)塑料質(zhì)輕,化學(xué)性穩(wěn)定,抗腐蝕能力強(qiáng),不與酸、堿反應(yīng),防水防塵;耐沖擊性好,強(qiáng)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(dǎo)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(wěn)定性差,容易變形;多數(shù)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(jié)構(gòu)為線型交聯(lián)成網(wǎng)狀,強(qiáng)熱則會(huì)分解破壞其分子結(jié)構(gòu),不具有循環(huán)重復(fù)性, 所以不能用于焊接。 熱塑性塑料加熱后會(huì)熔化,分子結(jié)構(gòu)不改變,可流動(dòng)至模具冷卻后成型。 此類塑料雖然沒有明顯的熔沸點(diǎn)(塑料為混合物),但冷卻后呈固態(tài),再加熱后又會(huì)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(tǒng)塑料激光焊接技術(shù)僅針對(duì)熱塑性塑料的焊接。


3 塑料激光焊接原理

激光焊接技術(shù)顧名思義,即通過激光產(chǎn)生高溫溶解,對(duì)兩件產(chǎn)品進(jìn)行固定的技術(shù)。 塑料激光焊接技術(shù)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(yīng)器、真空塑料制品,以及無菌醫(yī)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(shù)進(jìn)行塑料零件焊接時(shí), 首先需要增加適當(dāng)?shù)耐饬蓚€(gè)零件之間需要焊接的區(qū)域夾緊, 調(diào)整適合零件材質(zhì)的近紅外線激光的波長(zhǎng),激光先透射過第一個(gè)零件,被第二個(gè)零件吸收并化為熱能, 從而將兩個(gè)零件的接觸表面熔化形成焊接區(qū),完成焊接。


現(xiàn)階段可通過涂料技術(shù)簡(jiǎn)化焊接過程, 即在第一個(gè)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(gè)零件到達(dá)末端后被吸收,融化焊接區(qū),實(shí)現(xiàn)焊接。 此種方式對(duì)第二個(gè)零件的塑料材質(zhì)不做過多的限制,應(yīng)用范圍更廣。


4 塑料激光焊接常用焊接方法

在實(shí)際應(yīng)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(dòng)并使其熔化,將塑料逐漸粘結(jié)在一起。 主要用于規(guī)則外形且有焊接速度要求的零件。

同步焊接:使用帶有多個(gè)激光口的激光發(fā)射器,通過光學(xué)器件調(diào)整激光束的方向和形狀;激光束通過程序引導(dǎo),沿著焊接層的輪廓線焊接,使整個(gè)輪廓線同時(shí)熔化并粘結(jié)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(zhǔn)同步焊接,綜合了上述兩種焊接技術(shù)。利用光學(xué)器件產(chǎn)生高速激光束,沿著待焊接的部位移動(dòng),使得整個(gè)焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。 此方案對(duì)于激光發(fā)射設(shè)備要求較高。

照射掩膜焊接: 通過預(yù)先制作的模板遮擋無效區(qū)域的激光束,只暴露出精確的焊接部位,對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行熔化,實(shí)現(xiàn)焊接過程。 這種焊接技術(shù)精度高,是目前應(yīng)用較廣的激光焊接技 術(shù),設(shè) 備 通 用 性 強(qiáng),模 板 制 作 簡(jiǎn) 單、成 本 低,可 以 實(shí) 現(xiàn) 低 至10μm 的高精度焊接。



5 塑料激光焊接的優(yōu)勢(shì)

塑料激光焊接相比于超聲波焊接以及熱板焊接的優(yōu)勢(shì)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(chǎn)生真空密封結(jié)構(gòu),防水防塵;焊接牢固,能夠制造出超過原材料強(qiáng)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(yán)密,沒有殘?jiān)?,非常適用于醫(yī)藥制品及精密電子類產(chǎn)品。激光本身由計(jì)算機(jī)軟件控制,易于調(diào)整,可靈活透射到零件各個(gè)部位。 同時(shí),激光焊接能夠焊接其它焊接方法無法達(dá)到的區(qū)域,對(duì)于復(fù)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(xiàng)無振動(dòng)焊接技術(shù), 該工藝大幅減少塑料制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力,降低制品本身的老化速度,可應(yīng)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(jié)構(gòu)以及不同軟化點(diǎn)的塑料零件焊接在一起。 對(duì)于其他焊接方法很難實(shí)現(xiàn)或者無法實(shí)現(xiàn)。焊接設(shè)備即為激光發(fā)射裝置, 其本身并不需要和被焊接塑料零部件相接觸,設(shè)備自動(dòng)化程度高,方便加工。


6 塑料激光焊接應(yīng)用

由于塑料激光焊接工藝本身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn), 現(xiàn)階段重點(diǎn)應(yīng)用在精密塑料電子元件領(lǐng)域、無菌醫(yī)療領(lǐng)域、食品藥品領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域等高科技領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,例如手機(jī)零部件(機(jī)殼,耳機(jī)座,USB 座),鼠標(biāo),連接器,開關(guān),傳感器等。由于激光焊接可制作出密封以及真空的無菌產(chǎn)品, 在醫(yī)學(xué)器械以及無菌環(huán)境設(shè)備領(lǐng)域也有著不俗的表現(xiàn)。 例如輸液袋、導(dǎo)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(gè)包裝用的封體結(jié)構(gòu),操作方便快捷。 主要應(yīng)用食品藥品包裝以及其他需要無菌和密封的領(lǐng)域。由于激光焊接速度快, 同時(shí)適用于大型塑料零件焊接的特點(diǎn),在汽車領(lǐng)域塑料零部件的流水線加工上隨處可見。 例如自 動(dòng) 門 窗 開 關(guān)、噴 油 嘴、變 速 箱 支 架、發(fā) 動(dòng) 機(jī) 傳 感 器、液 壓 油箱、水箱導(dǎo)管,過濾閥門支架、車燈等。

對(duì)于那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(shù), 可以滿足 360°無死角的焊接工藝特點(diǎn)。


7 塑料激光焊接新技術(shù)新工藝

研究表明,如果采用激光焊接技術(shù),必須要求需焊接的兩個(gè)塑料零部件中的一件對(duì)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(chǎn)生的能量必須透過塑料,在焊接區(qū)域被塑料吸收才能完成焊接過程。 所以絕大多數(shù)的塑料都能夠滿足此透射率要求, 還是有少數(shù)塑料無法使用此焊接技術(shù)。

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(duì)近紅外激光的吸收率會(huì)很大, 從而降低焊接熱效率,也會(huì)引起不同程度的熱變形;如果材料透射率低,其對(duì)近紅外激光的吸收率會(huì)很小, 激光能量無法被有效吸收而導(dǎo)致熱能不足,無法實(shí)現(xiàn)焊接過程。

在實(shí)際生產(chǎn)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(duì)于不透光的兩個(gè)材料(透光率小于20%),激光焊接的應(yīng)用還存在一定局限性。 而對(duì)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(duì)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(guó)已經(jīng)發(fā)展成熟,并廣泛應(yīng)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(fā)熱并熔化相鄰層的材料,進(jìn)而達(dá)到焊接的目的。

對(duì)于兩塊黑色或不透光塑料, 由于材料本身對(duì)激光的吸收率很高,激光無法透射到焊接區(qū)域,在過去用激光焊接工藝是不可能實(shí)現(xiàn)的。 隨著塑料原材料產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí),此問題已經(jīng)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(duì)于激光卻是透明的,從而實(shí)現(xiàn)黑色材料之間的激光焊接。BASF 公司研發(fā)出能透過激光的黑色塑料原料尼龍和PBT,即外觀可以呈現(xiàn)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(dá)到 25%~55%。

Gentex 公司 Clearweld 的開發(fā),在涂層和涂料領(lǐng)域處于領(lǐng)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(huì)影響產(chǎn)品外觀效果。Clearweld 原料為無色,能吸收大多數(shù)近紅外激光,其特點(diǎn)就是消除涂料本身的影響,同時(shí)也拓展了激光焊接的顏色范圍,不僅適用于透明制品,對(duì)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(shù)應(yīng)用前景

目前國(guó)內(nèi)塑料激光焊接設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)還處于起步階段,大部分設(shè)備需要依靠進(jìn)口。 同時(shí),塑料激光焊接技術(shù)也是很專業(yè)化的粘結(jié)技術(shù), 目前主要應(yīng)用的行業(yè)都集中在高科技領(lǐng)域,并處于逐年上升趨勢(shì)。 該技術(shù)已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競(jìng)爭(zhēng)力,成本也在不斷降低。 涂料和填料技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成功解決塑料激光焊接早期的技術(shù)瓶頸,同時(shí)新工藝、新設(shè)備的不斷研發(fā)和升級(jí),為激光焊接技術(shù)帶來更廣闊的應(yīng)用前景。

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塑料激光焊接應(yīng)用前景工藝
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