塑料激光焊接工艺发展和应用前景

来源:每日塑料    关键词:塑料激光焊接, 应用前景, 工艺,    发布时间:2019-06-13

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简述塑料材料的发展机遇,介绍塑料激光焊接的原理、方法和应用。塑料激光焊接技术可以解决大部分塑料制品之间的组装和固定问题,特别对于精密的电子元件和要求无菌环境的食品类、医疗类产品,激光焊接的优势尤为明显。同时也介绍了一些解决塑料激光焊接技术屏障、改善聚合物激光透射率和吸收率的新材料、新工艺、新方法。本文主要介绍了塑料激光焊接工艺发展和应用前景。


塑料作为一种常用材料, 已经作为仅次于金属的第二大材料体系。 塑料不仅可以被制作成各种塑料产品,也慢慢作为金属以及其他材料的替代料在使用。 所谓塑钢比,即一个国家生产塑料和钢材数量的比值, 塑料的产量也作为衡量国家发达程度中重要的衡量标准之一。 比如在发达国家中,塑钢比基本维持在 65:35 左右,我国仅为 30:70,人均塑料消费量与世界发达国家相比还有很大的差距。塑料制品的应用范围相比金属更为广泛,我国珠三角、长三角庞大的塑料产业链和配套的产品链为我国塑料制品行业的发展提供了强有力的支撑。 随着我国 GDP 以及国民生活水平的不断提高,塑料行业将迎来新的发展机遇,并有机会不断突破。


1 、塑料的组成和应用

塑料是以单体为原料, 通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。 通过工艺调整,可以自由改变聚合成分及形体样式。 各种塑料制品就是塑料与填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组合而成。

塑料是重要的有机合成高分子材料,应用非常广泛。 比如农业上的地膜,大棚膜,排灌管道等;电气和电子工业上的绝缘材料和封装材料;机械工业上的齿轮、轴瓦等;化学工业中的各种容器及其他防腐材料;建筑工业中的门窗,楼梯 扶手,隔板,水管等;国防工业上的武器,重兵器,人造卫星等;包装领域的容器,瓦楞箱,打包带等。 医学上的医学仪器,医用品等。 我们每天也都在与塑料制品打交道,家用电器,家具,塑料袋,保鲜膜,牙刷,厨具,衣服,鞋等,塑料已经成为日常生活中不可或缺的重要材料。


2 塑料材料的基本特性

塑料的主要成分是树脂。 树脂是指尚未和各种添加剂混合的高分子化合物。 塑料的基本性能主要决定于树脂的本性,但添加剂也起着重要作用。 塑料中树脂含量一般在 40%以上,100%的树脂塑料相对较少,如有机玻璃、聚苯乙烯等。 同时,为满足巨大的塑料市场,除天然树脂外,合成树脂俨然成为最为有效的塑料原料获取方式, 是兼备或超过天然树脂固有特性的一种树脂。

塑料材料的基本特性:大多数塑料质轻,化学性稳定,抗腐蚀能力强,不与酸、碱反应,防水防尘;耐冲击性好,强度高;具有较好的透明性和耐磨耗性,部分带光泽;绝缘性好,导热性低;制造、加工成本低,容易被塑制成不同形状,成型性、着色性好;大部分塑料耐热性差,热膨胀率大,易燃烧;尺寸稳定性差,容易变形;多数塑料耐低温性差,低温下变脆,容易老化;可以用于制备燃料油和燃料气,可以降低原油消耗;部分塑料易溶于溶剂。

一般塑料分为热固性与热塑性二类。 热固型塑料的微观结构为线型交联成网状,强热则会分解破坏其分子结构,不具有循环重复性, 所以不能用于焊接。 热塑性塑料加热后会熔化,分子结构不改变,可流动至模具冷却后成型。 此类塑料虽然没有明显的熔沸点(塑料为混合物),但冷却后呈固态,再加热后又会熔化,即为物理变化,遂此类塑料具有可焊接性。

因此不是所有塑料都能用激光焊接焊接。 传统塑料激光焊接技术仅针对热塑性塑料的焊接。


3 塑料激光焊接原理

激光焊接技术顾名思义,即通过激光产生高温溶解,对两件产品进行固定的技术。 塑料激光焊接技术主要用于连接敏感性的塑料制品,例如 PCB 电 路 板、精密塑料零件电子感应器、真空塑料制品,以及无菌医疗器械等要求密封及洁净度高的塑料制品。



利用激光焊接技术进行塑料零件焊接时, 首先需要增加适当的外力将两个零件之间需要焊接的区域夹紧, 调整适合零件材质的近红外线激光的波长,激光先透射过第一个零件,被第二个零件吸收并化为热能, 从而将两个零件的接触表面熔化形成焊接区,完成焊接。


现阶段可通过涂料技术简化焊接过程, 即在第一个零件末端增加可吸收近红外激光的涂层, 激光透射过第一个零件到达末端后被吸收,融化焊接区,实现焊接。 此种方式对第二个零件的塑料材质不做过多的限制,应用范围更广。


4 塑料激光焊接常用焊接方法

在实际应用中,塑料激光焊接有几种常用的工艺方法:顺序型周线焊接: 激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化,将塑料逐渐粘结在一起。 主要用于规则外形且有焊接速度要求的零件。

同步焊接:使用带有多个激光口的激光发射器,通过光学器件调整激光束的方向和形状;激光束通过程序引导,沿着焊接层的轮廓线焊接,使整个轮廓线同时熔化并粘结在一起。 主要用于焊接面积较大,且焊接一致性要求较高的零件。

扫描焊接:又称准同步焊接,综合了上述两种焊接技术。利用光学器件产生高速激光束,沿着待焊接的部位移动,使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。 此方案对于激光发射设备要求较高。

照射掩膜焊接: 通过预先制作的模板遮挡无效区域的激光束,只暴露出精确的焊接部位,对焊接区域进行熔化,实现焊接过程。 这种焊接技术精度高,是目前应用较广的激光焊接技 术,设 备 通 用 性 强,模 板 制 作 简 单、成 本 低,可 以 实 现 低 至10μm 的高精度焊接。



5 塑料激光焊接的优势

塑料激光焊接相比于超声波焊接以及热板焊接的优势包括:焊接速度快,适用于精密器件焊接,可以得到高精度的焊接件;能产生真空密封结构,防水防尘;焊接牢固,能够制造出超过原材料强度的焊接缝;焊接过程中树脂降解少,热损坏和热变形小,无飞边,焊缝严密,没有残渣,非常适用于医药制品及精密电子类产品。激光本身由计算机软件控制,易于调整,可灵活透射到零件各个部位。 同时,激光焊接能够焊接其它焊接方法无法达到的区域,对于复杂外形、三维几何形状的制品尤为适用。

塑料激光焊接是一项无振动焊接技术, 该工艺大幅减少塑料制品的振动应力和热应力,降低制品本身的老化速度,可应用于易损坏的塑料零件。

塑料激光焊接可以将不同组成、不同颜色、不同结构以及不同软化点的塑料零件焊接在一起。 对于其他焊接方法很难实现或者无法实现。焊接设备即为激光发射装置, 其本身并不需要和被焊接塑料零部件相接触,设备自动化程度高,方便加工。


6 塑料激光焊接应用

由于塑料激光焊接工艺本身的优势特点, 现阶段重点应用在精密塑料电子元件领域、无菌医疗领域、食品药品领域、汽车领域等高科技领域上。

由于激光焊接可以灵活透射到精密器件上, 在精密塑料电子元件领域应用最为广泛,例如手机零部件(机壳,耳机座,USB 座),鼠标,连接器,开关,传感器等。由于激光焊接可制作出密封以及真空的无菌产品, 在医学器械以及无菌环境设备领域也有着不俗的表现。 例如输液袋、导管、过滤器材、软管接头、助听器、支架等。由于激光焊接还可以将塑料薄膜焊接在一起, 形成一个包装用的封体结构,操作方便快捷。 主要应用食品药品包装以及其他需要无菌和密封的领域。由于激光焊接速度快, 同时适用于大型塑料零件焊接的特点,在汽车领域塑料零部件的流水线加工上随处可见。 例如自 动 门 窗 开 关、喷 油 嘴、变 速 箱 支 架、发 动 机 传 感 器、液 压 油箱、水箱导管,过滤阀门支架、车灯等。

对于那些结构非常复杂的三维几何体塑料零件的焊接,也可以使用激光焊接技术, 可以满足 360°无死角的焊接工艺特点。


7 塑料激光焊接新技术新工艺

研究表明,如果采用激光焊接技术,必须要求需焊接的两个塑料零部件中的一件对近红外线激光的透射率在 20%以上,才能获得良好的焊接效果,即激光产生的能量必须透过塑料,在焊接区域被塑料吸收才能完成焊接过程。 所以绝大多数的塑料都能够满足此透射率要求, 还是有少数塑料无法使用此焊接技术。

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, 其对近红外激光的吸收率会很大, 从而降低焊接热效率,也会引起不同程度的热变形;如果材料透射率低,其对近红外激光的吸收率会很小, 激光能量无法被有效吸收而导致热能不足,无法实现焊接过程。

在实际生产中,一块为透光性材料,另一块为不透光性材料的焊接方式最为普遍。 对于不透光的两个材料(透光率小于20%),激光焊接的应用还存在一定局限性。 而对于两块透明材料(透光率大于 50%)而言,可通过在焊接面加入适量的炭黑涂料,大幅提高其对近红外激光的吸收率,满足焊接要求。此外,许多矿物填充的化合物,也不适宜用激光来焊接。为增加塑料激光焊接工艺的适用范围, 克服材料本身透光率问题,涂层以及涂料工艺在我国已经发展成熟,并广泛应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发热并熔化相邻层的材料,进而达到焊接的目的。

对于两块黑色或不透光塑料, 由于材料本身对激光的吸收率很高,激光无法透射到焊接区域,在过去用激光焊接工艺是不可能实现的。 随着塑料原材料产业不断升级,此问题已经得到有效解决,即在两块黑色塑料中加入特殊的填料和色料,使其在外观看起来是黑色的,但对于激光却是透明的,从而实现黑色材料之间的激光焊接。BASF 公司研发出能透过激光的黑色塑料原料尼龙和PBT,即外观可以呈现黑色,也有着很高的近红外线激光透射率。 杜邦公司也推出了几种黑色的塑料(POM 和尼龙),其近红外线激光透射率达到 25%~55%。

Gentex 公司 Clearweld 的开发,在涂层和涂料领域处于领先地位,主要是致力于两块透明塑料的激光焊接方案。 原先的涂料本身为黑色或深色, 在透明塑料上增加有色涂料会影响产品外观效果。Clearweld 原料为无色,能吸收大多数近红外激光,其特点就是消除涂料本身的影响,同时也拓展了激光焊接的颜色范围,不仅适用于透明制品,对于色彩清淡的制品都可以使用激光焊接工艺。


8 塑料激光焊接技术应用前景

目前国内塑料激光焊接设备的研发生产还处于起步阶段,大部分设备需要依靠进口。 同时,塑料激光焊接技术也是很专业化的粘结技术, 目前主要应用的行业都集中在高科技领域,并处于逐年上升趋势。 该技术已经在很多应用领域比超声波焊接以及热板焊接更具竞争力,成本也在不断降低。 涂料和填料技术的发展已经成功解决塑料激光焊接早期的技术瓶颈,同时新工艺、新设备的不断研发和升级,为激光焊接技术带来更广阔的应用前景。