塑料鎖定和激光焊接

與包括醫(yī)療設(shè)備和汽車零件在內(nèi)的眾多應(yīng)用中的傳統(tǒng)接觸方法相比，基于激光的焊接對(duì)塑料具有幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)激光器用于在許多市場(chǎng)加工工程塑料。例如一些常見(jiàn)過(guò)程的示例，包括激光打標(biāo)、切割和焊接。激光塑料焊接領(lǐng)域公認(rèn)的市場(chǎng)包括汽車和醫(yī)療設(shè)備。

激光塑料焊接的基本原理

與傳統(tǒng)的接觸方法相比，基于激光的焊接對(duì)塑料有幾個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。激光焊接是一種在焊接點(diǎn)的非接觸式工藝，通常發(fā)生在重疊部分的界面處。因此，焊接區(qū)被封裝。這會(huì)產(chǎn)生美觀的焊接，它是無(wú)菌的，不會(huì)污染被連接部件的表面?？雌饋?lái)有點(diǎn)違反直覺(jué)的是，已經(jīng)相互接觸的零件可以從上到下焊接在一起，而不會(huì)對(duì)其外表面造成干擾。使用傳統(tǒng)的塑料焊接技術(shù)，如超聲波或熱沖壓，與塑料的外表面接觸零件被焊接在一起是不可避免的。非接觸式激光塑料焊接的工作原理是激光在被連接的聚合物鏈內(nèi)部分透射、反射、散射和吸收。通過(guò)仔細(xì)選擇塑料和激光的光學(xué)特性，可以在目標(biāo)位置產(chǎn)生足夠的熱量，將材料熔化并熔合在一起。

激光焊接工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期建立。嘗試將激光焊接工藝改造到最初不是為激光焊接而設(shè)計(jì)的塑料產(chǎn)品上有時(shí)會(huì)奏效。然而，在塑料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段采用激光制造原理設(shè)計(jì)將大大減少后期的可制造性問(wèn)題。

激光塑料焊接的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

塑料產(chǎn)品具有機(jī)械、幾何、熱和光學(xué)等特性（圖1）。從根本上說(shuō)，塑料組件的激光焊接性可大致由以下因素決定：

選擇的材料是否兼容？兼容性是指要焊接的兩個(gè)塑料部件的熔化溫度和化學(xué)、機(jī)械、幾何和光學(xué)特性。

激光束能否有效地穿過(guò)頂層材料到達(dá)接合界面，而底層材料能否吸收激光束在需要的地方產(chǎn)生熱量？

在焊接過(guò)程中，零件能否正確固定在一起，施加的力是否可以控制？零件的幾何形狀是否導(dǎo)致零件之間沒(méi)有間隙的良好配合？

在給定幾何形狀的情況下，傳遞到零件的激光束能否以有效的方式分布和控制？

熱和化學(xué)相容性

塑料在比金屬低得多的溫度下熔化和分解。工程塑料的典型熔化溫度約為250°C。有些塑料的熔化溫度要高得多，例如聚醚醚酮(PEEK)，它在350°至400°C的范圍內(nèi)。熔化溫度的密切相容性將有助于熔池的混合并提高再凝固時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度。在熔化溫度上相對(duì)緊密匹配的某些塑料組合是塑料焊接的良好候選者。塑料的化學(xué)成分也是一個(gè)因素。例如，嘗試將高密度聚乙烯(HDPE)焊接到聚丙烯(PP)上不會(huì)成功，但可以將低密度聚乙烯(LDPE)焊接到聚丙烯(PP)上，即使聚乙烯屬于同一家族.

匹配光學(xué)特性

材料加工中的激光器通常會(huì)發(fā)射一種波長(zhǎng)或非常窄的波長(zhǎng)帶寬的光束。與自然光不同，激光束是連貫且可聚焦的。近紅外和紅外波長(zhǎng)最廣泛用于800nm至2μm的塑料焊接，通常使用高功率二極管激光器。這些波長(zhǎng)比人眼可見(jiàn)的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，例如在可見(jiàn)光譜中為532nm的綠色和635nm的紅色。使用800至2000nm波長(zhǎng)，要焊接的塑料必須在此范圍內(nèi)表現(xiàn)出一定程度的透射和吸收。塑料在某種程度上是半結(jié)晶結(jié)構(gòu)并具有非晶相和結(jié)晶相。當(dāng)激光束照射在塑料內(nèi)的非晶相和結(jié)晶相之間的折射率差異時(shí)，除了必要的透射和吸收外，還會(huì)引起光散射和反射。這對(duì)激光焊接可能是有益的，也可能是障礙，這取決于這些影響的程度。這些特性的設(shè)計(jì)組合有助于實(shí)現(xiàn)激光束通過(guò)頂部塑料部件的傳輸和在下部的吸收（圖2）。有時(shí)，母料中會(huì)加入添加劑以使聚合物吸收激光。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮產(chǎn)品中是否可以接受添加劑——例如，用這種塑料制造的醫(yī)療設(shè)備會(huì)獲得FDA的批準(zhǔn)嗎？這對(duì)激光焊接可能是有益的，也可能是障礙，這取決于這些影響的程度。這些特性的設(shè)計(jì)組合有助于實(shí)現(xiàn)激光束通過(guò)頂部塑料部件的傳輸和在下部的吸收（圖2）。有時(shí)，母料中會(huì)加入添加劑以使聚合物吸收激光。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮產(chǎn)品中是否可以接受添加劑——例如，用這種塑料制造的醫(yī)療設(shè)備會(huì)獲得FDA的批準(zhǔn)嗎？這對(duì)激光焊接可能是有益的，也可能是障礙，這取決于這些影響的程度。這些特性的設(shè)計(jì)組合有助于實(shí)現(xiàn)激光束通過(guò)頂部塑料部件的傳輸和在下部的吸收（圖2）。有時(shí)，母料中會(huì)加入添加劑以使聚合物吸收激光。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮產(chǎn)品中是否可以接受添加劑——例如，用這種塑料制造的醫(yī)療設(shè)備會(huì)獲得FDA的批準(zhǔn)嗎？

某些塑料（如聚酰胺(PA-66)，通常稱為尼龍）中的玻璃纖維含量會(huì)影響光線通過(guò)它們的傳輸，尤其是在玻璃纖維濃度較高且透射率較低的情況下。關(guān)于塑料的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是，哪些顏色可以焊接在一起？沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案：許多組合都是可能的，即使是相同顏色的材料，如透明到透明、白色到白色、黑色到黑色，也可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)的構(gòu)圖進(jìn)行組合。盡管可見(jiàn)光不透過(guò)有色塑料，但對(duì)于單一激光波長(zhǎng)而言，情況可能完全相反。

沿零件末端有足夠的零件裝配和固定力

設(shè)計(jì)師必須始終設(shè)法確保零件的幾何形狀能夠通過(guò)裝配組件的良好裝配和可接近的接頭進(jìn)行激光塑料焊接。激光焊接不擅長(zhǎng)通過(guò)氣隙傳遞熱量，重要的是接頭的組成部分相互接觸。搭接焊配置實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。在某些情況下，對(duì)接焊縫是可能的，并且很大程度上取決于激光束如何應(yīng)用于焊縫以及生產(chǎn)塑料零件的成型機(jī)的零件公差。將蓋子焊接到容器上就是很好的零件裝配示例。

焊接過(guò)程中的向下力對(duì)于某些復(fù)雜的零件來(lái)說(shuō)是必不可少的，尤其是那些難以在其邊界周圍自然地實(shí)現(xiàn)良好裝配的大型零件。夾緊力可以由伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生，也可以通過(guò)氣動(dòng)夾緊產(chǎn)生。塑料焊接有一個(gè)塌陷力，它決定了熱的熔化塑料在開(kāi)始顯著變形之前可以承受多大的力，以及熔化時(shí)需要多大的力才能將零件推到一起。力位移傳感器通常集成到激光塑料焊接工具中，以監(jiān)測(cè)和控制在焊接周期中施加到組件上的力。

有效分配和控制激光產(chǎn)生的熱量

在激光焊接中，有幾種將激光束傳送到工件的方法。使用笛卡爾軸系統(tǒng)，固定激光塑料焊接頭和XYZR工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就是一個(gè)例子。由于在起點(diǎn)和終點(diǎn)以及方向變化所需的加速度，這些設(shè)備可能不會(huì)導(dǎo)致大零件的均勻加熱。然而，這種方法很靈活，因?yàn)榧す饴窂娇梢酝ㄟ^(guò)CAD數(shù)據(jù)生成。高速振鏡掃描頭的使用允許激光束以高達(dá)10m/s的速度極快地移動(dòng)。以非常高的速度和足夠的功率在焊縫周圍掃描可以幾乎瞬間加熱整個(gè)焊縫從一端到另一端。這減少了笛卡爾軸系統(tǒng)產(chǎn)生的同時(shí)加熱和冷卻的影響。

另一種不太靈活的方法是通過(guò)掩模激光照射零件。在這種情況下，掩?？撞捎盟韬缚p的形狀，但必須在每次改變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)制造。有時(shí)，會(huì)使用專門的激光透鏡，產(chǎn)生線焦點(diǎn)，沿定義的長(zhǎng)度提供縫焊。在此過(guò)程中可能需要控制光功率，這也可以通過(guò)高溫計(jì)在焊接期間測(cè)量工件溫度并將此信息反饋到激光控制器中的功率控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

概括

激光塑料焊接存在許多相互依賴關(guān)系，并且在設(shè)計(jì)復(fù)雜零件和特殊材料的解決方案方面具有重要的工程意義。激光塑料焊接在工業(yè)中的應(yīng)用令人印象深刻，從汽車燈組件到噴墨打印機(jī)墨盒的各種大批量產(chǎn)品都經(jīng)常采用激光塑料焊接。

本文旨在解釋激光焊接塑料時(shí)必須考慮的一些基本注意事項(xiàng)。最重要的是，產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)必須考慮到激光焊接——這就是為什么產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段的早期與客戶采用協(xié)作方法，認(rèn)識(shí)到上述幾點(diǎn)。用于生產(chǎn)復(fù)雜塑料產(chǎn)品的模具制造成本非常高，模具設(shè)計(jì)人員必須在最終確定模具設(shè)計(jì)之前了解圍繞激光焊接的制造問(wèn)題的設(shè)計(jì)。這將確保脫離模具的零件幾何形狀隨后可以進(jìn)行激光焊接。