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隨著新型材料加工技術(shù)的發(fā)展，塑料產(chǎn)品正因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性好和成型加工性能優(yōu)良等特性，已經(jīng)大量取代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)材料，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車、醫(yī)療器具、食品包裝以及日用化工等領(lǐng)域。塑料件連接工藝的好壞對塑料產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用有著重大的意義。

 

同時，隨著國內(nèi)激光技術(shù)所需設(shè)備費(fèi)用的不斷下降以及各大領(lǐng)域?qū)λ芰霞附庸に囈蟮闹鸩教岣?，激光塑料焊接技術(shù)越來越受歡迎。

 

那么日常生活中看到的各種塑料產(chǎn)品是怎么焊接的呢？接下來小編將從塑料焊接工藝方法、塑料激光焊接工藝、塑料激光焊接行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢等方面來科普下塑料焊接。

 

所有的塑料材料都可以焊接嗎？

 

是不是任意一種塑料材料都可以焊接呢？塑料根據(jù)其物理化學(xué)性能分類，分為熱固性塑料和熱塑性塑料。

 

其中熱固性塑料為化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，一般是一次成型。如上左圖中開關(guān)面板和幼兒用的碗都是熱固性塑料加工而成的，它們具有耐高溫的特性，質(zhì)地堅(jiān)硬、難以熔化，加熱后也不再軟化，過度加熱直接分解。

 

另一種熱塑性塑料特點(diǎn)明顯不同，如上右圖是熱塑性的塑料零件，它們在受熱時發(fā)生軟化或熔化，可流動成型，且可以反復(fù)多次加熱。由此可知，并不是所有塑料材料都能實(shí)現(xiàn)焊接。

 

塑料焊接工藝有哪些類別？

 

 

塑料焊接工藝類別

 

目前常用的塑料焊接工藝方法主要有四類：

 

（1）熱板焊接——通過熱板加熱后進(jìn)行的焊接，如示意圖將產(chǎn)品熔化后再取出熱板，產(chǎn)品加壓實(shí)現(xiàn)焊接；

 

（2）超聲波焊接——利用高頻振動波傳遞到需要焊接的物體表面，在加壓的情況下，摩擦生熱進(jìn)行產(chǎn)品的焊接；

 

（3）振動摩擦焊接——兩個塑料部件在一定的壓力、振幅和頻率下，相互接觸摩擦。因摩擦產(chǎn)生熱量，使得材料在焊縫界面處熔化。在壓力下，熔融塑料從焊縫區(qū)域流出形成溢料。在振動停止后，熔融塑料層固化，并產(chǎn)生一個堅(jiān)固的接頭；

 

（4）激光焊接——激光焊接技術(shù)是借助激光束產(chǎn)生的熱量使塑料接觸面熔化，進(jìn)而將熱塑性片材、薄膜或模塑零部件粘結(jié)在一起的技術(shù)。

 

這四種焊接方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下圖，其中塑料激光焊接的優(yōu)點(diǎn)尤為明顯，它可以加工復(fù)雜零件，且具有焊接周期短、可在線監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)成本低的特點(diǎn)。

 

 

焊接方式優(yōu)缺點(diǎn)對比

 

塑料激光激光焊接具有這么多優(yōu)勢，它的原理是怎樣的呢？

 

塑料激光焊接的原理

 

激光塑料焊接方法要求上下層待焊材料對一定波長的激光分別表現(xiàn)為較好的透過性和較好的吸收性。基于此，塑料激光焊接也稱為激光透射焊接，激光焊接原理如圖所示。

 

 

激光焊接原理

 

焊接時，激光透過上層材料并在上層材料與下層材料的結(jié)合面處被下層材料吸收并產(chǎn)生熱量，熱量在上下層材料之間傳遞，使結(jié)合面融化，熔融狀態(tài)下的塑料大分子在焊接夾具的壓力和熱膨脹的作用下相互擴(kuò)散和纏結(jié)，產(chǎn)生范德華力實(shí)現(xiàn)焊合。

 

 

不同材料對波長的透過率     常用塑料的可焊性

 

左圖是幾種透明塑料材料對波長的透過率，可以看出在塑料材料對1200nm以下波長的透過率都很高，對于1200nm以上波長吸收率有所增加。一般說來，當(dāng)上層材料激光透過率高于50％，下層材料激光透過率低于20％時，會獲得較好的激光焊接效果。右邊這個圖表為常用塑料材料的可焊性。

 

由于塑料焊接過程需要施加壓力，那么塑料零件焊接對其結(jié)構(gòu)就有相應(yīng)的要求。如下圖所示，塑料零件焊接一般為上下搭接結(jié)構(gòu)，對于管類零件，可實(shí)現(xiàn)過盈配合的管類焊接。

 

 

塑料零件焊接結(jié)構(gòu)

 

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塑料焊接方法的類型

 

塑料焊接方法一般分為四類：

 

（1）輪廓焊接：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(jié)在一起。主要用于焊接規(guī)則外形且有焊接速度要求的零件；

 

（2）同步焊接：使用帶有多個激光口的激光發(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，使整個輪廓線同時熔化并粘結(jié)在一起。主要用于焊接接觸面積較大，且焊接一致性要求較高的零件；

 

（3）掃描焊接：又稱準(zhǔn)同步焊接，它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，使得整個焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。此方法對激光發(fā)射設(shè)備要求較高；

 

（4）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，僅對焊接區(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)，模板制作簡單、成本低，可以實(shí)現(xiàn)低至10μm的高精度焊接。

 

 

工藝方法分類

 

塑料激光焊接裝置

 

塑料激光焊接裝置主要包括激光器、焊接頭和焊接夾具。激光器的選擇主要根據(jù)塑料材料特點(diǎn)來選擇。大部分塑料都是選擇透過率高的波長為808nm～1100nm激光器，焊接完全透明材料時需要在原材料中添加激光吸收劑或零件表面涂激光吸收劑促進(jìn)激光的吸收。透明醫(yī)療材料則選擇激光吸收率高的波長為1710nm或1940nm的激光器。

 

塑料焊接工裝夾具一般包括夾板總成、壓力傳感裝置以及壓力驅(qū)動裝置。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的工裝夾具，使用的焊接頭一般為準(zhǔn)直聚焦焊接頭和高速振鏡兩種，兩種焊接頭的典型適用范圍分別是掃描焊接和填充焊接。

 

工藝參數(shù)方面：夾緊力一般為0.1 Mpa～2Mpa，激光功率一般為10W～100W，輪廓焊接速度一般為5 mm/s～100mm/s，焊接處光斑直徑一般為0.5mm～5mm。焊接的工藝流程一般包括零件清理、焊接和測試。零件清理主要是去除樣件表面的脫模劑和污物。產(chǎn)品測試主要包括外觀檢查、氣密性測試、拉力測試、破壞性測試，其中醫(yī)療產(chǎn)品還需要進(jìn)行藥理毒性和生物相容性測試。

 

 

塑料激光焊接工藝流程

 

那么塑料焊接后會產(chǎn)生哪些缺陷呢？焊接缺陷一般包括未焊合、氣孔和孔洞，下圖是焊縫的縱截面形貌，左圖可以看到上下兩層材料中間有黑色未焊合區(qū)域，那么可以增加功率或降低焊接速度來避免這種缺陷，中間這幅圖可以看出存在氣孔，可以增加焊接夾緊力來消除缺陷；右圖黑色部位為焊接孔洞，這是能量密度高造成的，因此可以降低功率，增加焊接速度。

 

 

焊接缺陷及糾正措施

 

塑料激光焊接行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

 

塑料激光焊接目前主要應(yīng)用在汽車、家電、消費(fèi)電子以及醫(yī)療行業(yè)?；诩す馑芰虾附訉λ芰喜牧系墓鈱W(xué)特性要求，未來的行業(yè)發(fā)展趨勢將在新型塑料材料的開發(fā)方面——包括黑色透光材料的開發(fā)，而塑料焊接的激光器研發(fā)主要致力醫(yī)療行業(yè)激光器的開發(fā)。