塑料材料的激光焊接工艺

一，激光的波长在金属材料的激光焊接过程中，通常使用YAG或CO2激光作为光源，塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的迅速发展，半导体激光器已逐渐被用作光源。在这三种方法中，由于易于获得更大的功率，因此前两种方法在传统材料加工行业中更为常用，并且由于塑料激光焊接对光源的功率要求不高，因此需要可控性和操作简便。更高，因此半导体激光器在塑料焊接中也非常有用。 CO2，Nd：YAG和半导体激光光源的波长，功率，最小聚焦直径和其他典型值如下：1. CO2激光器：长波长为10.6微米，属于远红外波段。通常，塑料材料可以很好地吸收该波长。目前，输出功率达到50kW，转换效率约为10％，最小聚焦直径约为0.2-0.7mm。焊接塑料时，热作用区域的深度较深，适合于焊接较厚的塑料材料。 CO2激光不能通过光纤传输，只能由$安培，*光学系统组成的*透镜反射镜来建立刚性的传输光路，从而影响激光头的可操作性。 2. Nd：YAG激光器：波长较短，为1.06微米，属于近红外区域的波长，不易被塑料吸收。输出功率为6kW，转换效率为3％，最小聚焦直径为0.1〜0.5mm。 Nd：YAG激光器的特点是聚焦面积小，可通过光纤传输轻松构建光路。可以将激光头安装在机械臂上，以实现焊接过程的数值控制和精确自动化；待焊接的材料到达待焊接材料的下层或被吸收的中间层，从而实现焊接。 3.半导体激光器：波长0.8-1.0微米，输出功率6kW，转换效率30％，最小聚焦直径0.5mm。由于其输出功率小，因此适合激光功率要求较低的场合，例如小型塑料设备的精密焊接。半导体激光器具有高的能量转换效率，并且容易实现激光器的小型化和便携性。二。塑料材料可以激光焊接的塑料都是热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都可以激光焊接。对于要焊接的塑料，塑料激光焊接技术的要求是：热作用区中的材料需要良好的激光吸收，不属于热作用区中的材料需要良好的光渗透性，尤其是在这种情况下。堆叠两个薄塑料部件时。通常，可以在热影响区将吸收剂添加到塑料中以达到目的。目前可以进行激光焊接的单组分塑料包括：PMMA-聚甲基丙烯酸酯（有机玻璃），PC塑料，ABS塑料，LDPE低密度聚乙烯塑料，HDPE高密度聚乙烯塑料，PVC-聚氯乙烯塑料，尼龙6尼龙如图6所示，尼龙66-尼龙66，PS-PS树脂等。可以焊接由上述各种塑料制成的塑料部件，例如模制塑料制品，塑料板，薄膜，弹性体，纤维，甚至纺织品。因为激光焊接具有热效应面积小和传统焊接不具有的容易控制的特性，所以可以在上述单个材料之间进行焊接。 3.吸收剂吸收剂的应用是塑料激光焊接过程中非常重要的过程。如上所述，塑料激光焊接的本质是熔化要在热影响区中焊接的塑料，然后冷却以自然地实现塑料零件的接合。熔化塑料需要塑料吸收足够的激光能量。塑料本身可以自然地吸收较高吸收率的激光能量，但通常不添加吸收剂，塑料对光波的吸收不是很好，吸收效率很低，熔融效率也不理想。通常理想的吸收剂是炭黑，它可以吸收铝大多数激光能量都在红外波长范围内，从而大大提高了塑料的吸热效果，使热作用区内的材料熔化更快，效果更好。某些其他颜色的染料也可以具有吸收光波的相同效果。英国焊接学会（TWI，TheWeldingInstitute）开发了一种对可见光透明的染料。使用这种染料作为吸收剂，可以获得透明的塑料焊缝。炭黑吸收红外波段的激光波，也吸收可见光波。这就是为什么炭黑看起来很黑。使用炭黑作为吸收剂会使激光焊接缝变深，这与基材的颜色不同。 TWI开发的对可见光透明的染料仅吸收红外波段的电磁波，而不吸收可见光，因此焊缝看起来仍然是透明的。在许多情况下，塑料焊接需要精美的成品，因此与炭黑相比，对可见光透明的染料吸收剂非常受欢迎。可以通过三种方式添加吸收剂：一种是将吸收剂直接渗透到要焊接的材料中，以便将穿透吸收剂的塑料部件放在下面，将没有吸收剂的塑料部件放在顶部。为了让激光束通过，其次，在要焊接的塑料部件的表面吸收吸收剂，这样只有穿透吸收器的一部分塑料会变成热影响区并熔化，第三，在要焊接的两个塑料零件的触点上喷涂或在吸收剂上打印。四，其他参数与金属焊接不同，塑料激光焊接所需的激光功率不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料零件上的热作用区域越大，越深，这将导致材料过热，变形甚至损坏。应根据要熔化的深度选择激光功率。塑料激光焊接的速度比较快，一般1mm厚焊缝的焊接速度可以达到20m / min，而采用大功率的CO2激光焊接塑料薄膜，速度可以达到750m / min。 5，在软件激光焊接系统中，计算机软件的作用是对激光头轨迹，速度，激光功率等一般加工参数进行数字控制，以达到提高加工速度和精度的目的。 ，提高加工质量。传统激光加工（laseroem）中的软件控制没有什么不同，但是由于吸收剂在塑料激光焊接中的特殊作用，塑料激光焊接控制系统和加工系统都有自己的特点。英国TWI研究所结合其ClearWeld塑料焊接工艺，设计和开发了一种软件，用于计算和预测吸收剂的数量和使用情况。根据不同材料的厚度，颜色，吸收率等，结合激光功率，光波透射率等参数，在焊接前用软件计算出吸收剂的量和添加方法，然后根据需要添加吸收剂。预测量。提供给软件的输入数据包括：塑料材料特性：类型，厚度，颜色，焊接数据：焊接区域形状复杂性，宽度，焊接速度，激光特性：功率，红外透光率等。经过计算和筛选后，输出该软件给出的结果包括：吸收剂类型，剂量和所需添加方法的列表，以及焊接过程中上层材料中激光波的能量损失。该软件的计算结果与实际焊接测量结果非常接近。图6显示了焊接后产生的热影响区（HAZ）的计算值与实际测量值之间的比较。使用的塑料是PMMA。可以看出，软件计算结果与实测结果非常接近。由于塑料激光焊接的规则性和可预测性强，因此使用软件计算和筛选方法来预测结果非常有效和可行。