透明塑料材料的激光焊接

1、透明塑料材料的激光焊接    在許多工業(yè)應(yīng)用中，熱塑性元件的激光焊接已經(jīng)成為一項標(biāo)準(zhǔn)的加工方式。當(dāng)使用二極管激光器、Nd:YAG激光器或光纖激光器時，標(biāo)準(zhǔn)的操作是在重合處進(jìn)行投射式激光焊接。聚焦激光輻射穿透上層透明的塑料，被下層材料吸收，吸收的輻射能在表面轉(zhuǎn)化成熱能，由于熱能的傳導(dǎo)，就在上層形成接點。原色或者有色的塑料在近紅外波段的吸收較低。炭黑是一種樹脂添加劑，它可以在很廣的波段（從可見到紅外）有效提高塑料對激光的吸收率。然而，如        在許多工業(yè)應(yīng)用中，熱塑性元件的激光焊接

2、已經(jīng)成為一項標(biāo)準(zhǔn)的加工方式。當(dāng)使用二極管激光器、Nd:YAG激光器或光纖激光器時，標(biāo)準(zhǔn)的操作是在重合處進(jìn)行投射式激光焊接。聚焦激光輻射穿透上層透明的塑料，被下層材料吸收，吸收的輻射能在表面轉(zhuǎn)化成熱能，由于熱能的傳導(dǎo)，就在上層形成接點。        原色或者有色的塑料在近紅外波段的吸收較低。炭黑是一種樹脂添加劑，它可以在很廣的波段（從可見到紅外）有效提高塑料對激光的吸收率。然而，如果使用了炭黑，塑料就只能做成深色，無法做成透明的塑料元件。        由

3、英國劍橋焊接研究所（TWI）開發(fā)的Clearweld工藝使得透明或者有色塑料能夠有效地吸收近紅外光。它采用了特殊的近紅外吸收材料作為元件表面的涂層，或者作為添加劑摻入下層的樹脂中。這些材料在可見光范圍內(nèi)的吸收較小，在近紅外區(qū)（800-1100 nm）的吸收較大。目前，在最大的吸收波長附近，具有各種不同的窄吸收帶寬的吸收材料，它們可以被用來調(diào)整塑料的光學(xué)特性，以便適應(yīng)各種常見的近紅外激光器。除了取決于所使用的激光波長，最佳的吸收材料還取決于具體應(yīng)用上的要求，比如加工參數(shù)、材料特性和目標(biāo)元件所需的顏色。        Clear

4、weld涂層工藝        帶有吸收范圍在940-1100 nm吸收劑的涂層為低粘性、基于溶劑的液體物質(zhì)，被應(yīng)用于各種配料系統(tǒng)中。典型的溶劑是乙醇和丙酮。涂層的用量以納升/平方毫米（nL/mm2）為單位。溶劑可作為載體，揮發(fā)得很快，從而在塑料表面形成一層吸收材料薄膜。通常，干燥時間在1至7秒。也可以使用輔助干燥的方法，例如使用紅外線燈對零件的預(yù)加熱或者后加熱，令溶劑的揮發(fā)更為迅速。涂層過程可以與焊接過程分開進(jìn)行。        當(dāng)涂層應(yīng)用到材料表面時，

5、一個均勻的吸收劑薄層就沉積在材料的表面。在激光輻射以前，干燥后的涂層在可見波段有些許顏色。進(jìn)行焊接時，激光輻射被涂層吸收，同時被轉(zhuǎn)化成熱能。由于熱傳導(dǎo)，臨近于涂層的表面材料被加熱而熔化，固化后就形成了焊點。在加熱的過程中，吸收劑分解，涂層就完全失去了可見波段的顏色（見圖1）。                添加劑        吸收劑還可被于許多熱塑材料中，它作為添加劑被加入下

6、層的塑料中以協(xié)助激光焊接過程。這個過程類似于在材料中添加炭黑，不過，這里的顏色更為多樣，可被用于透明/不透明的塑料零件中。        根據(jù)應(yīng)用上的不同要求，技術(shù)人員可以利用Clearweld吸收劑工藝來調(diào)節(jié)材料熔化的深度。這是通過改變樹脂中吸收劑的濃度來實現(xiàn)的。吸收劑濃度與光學(xué)穿透深度直接相關(guān)，提高濃度就使得穿透深度降低，從而也減小了熔化的深度。        如果需要一個很大的熔池來修正縫隙和幾何偏差，并且不希望多聚物塑料被熱降解，那么吸收劑的濃度可

7、以設(shè)得低一些。如果所需的熔池的尺寸較小，比如，在微型流體設(shè)備的應(yīng)用中，那么吸收劑的濃度可以高一些。        包含Clearweld添加劑的特定混合樹脂被設(shè)計并用于800-1100 nm波段的激光焊接中。這些樹脂是以注?；蛘邤D壓模的形式制成，在混合過程中，它們的顏色可以通過著色劑進(jìn)行配色，以獲得一個特定的配方來實現(xiàn)特定的應(yīng)用要求。該配方需要考慮許多方面的參數(shù)，包括多聚物的兼容性、顏色要求，以及焊接激光的波長。        圖2 是激光焊接的黃色和橙色

8、的透明塑料樣品。通過成功的進(jìn)行配色，透光的上層和吸收性的下層可能看起來一模一樣，同時焊接過程也得到了優(yōu)化。但是，有時顏色的要求可能決定了所需的激光波長以及其他參數(shù)?？珊附拥臉渲约斑@些添加劑可以一同進(jìn)行混合擠壓成模、模內(nèi)注塑，或者擠壓成薄膜，被沖切后，該薄膜可以被用于激光焊接中的中間過渡層。                焊接儲油器        圖3為激光焊接的儲油器，它是由

9、透明無色的PMMA塑料制成的。該零件是在Barkston塑料工業(yè)公司的半自動化生產(chǎn)線上制成的。在使用激光焊接以前，該產(chǎn)品是通過粘合劑連接起來的，其中的各部件是通過復(fù)雜的機械切割、額外的修正和表面的拋光等加工過程來實現(xiàn)的。頂部和底部的扁平蓋子與中間的柱子是通過940nm二極管激光器焊接而成的。        在焊接以前，Clearweld涂層被加在柱子的邊緣。干燥后，元件被組裝、夾緊并置于激光焊接臺上。焊接過程是通過一個圓形的焊接線路來實現(xiàn)的，聚焦的激光光束從頂部穿過蓋子射到柱子的邊緣。在整個過程中，在柱子上部邊緣的涂層被降解

10、，使得底部蓋子處、柱子的另一個邊緣也同時被焊接。這是因為激光在柱子側(cè)壁的內(nèi)部反射，所以激光光束被引到另一邊。激光焊接得到的流體焊接點非常緊密，強度很高，并且具有很好的光學(xué)外形。        利用Clearweld涂層，頂部和底部可以同時被激光焊接到柱子上。這使得生產(chǎn)時間顯著降低，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，因為產(chǎn)品具有真空密封特性，而且整個產(chǎn)品完全透明。儲油器的生產(chǎn)可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型、小批量生產(chǎn)，每批50個產(chǎn)品。          

11、60;             焊接醫(yī)用管件        在與Natvar公司合作中，我們使用添加劑來吸收激光能量，焊接醫(yī)療應(yīng)用中所需的管子（如圖4）。通常，這些產(chǎn)品都是使用紫外光粘接或者溶劑接合的方式來實現(xiàn)的。紫外光粘接通常需要15-20秒的固化時間。溶劑接合是即時的，但是必須要加入一種化學(xué)品來產(chǎn)生接點。紫外光粘接和溶劑接合的方式都需要在整個過程中接觸端口表面（錐形漸縮處），通常長度可達(dá)0.250-0.

12、500英寸。               這些管子可以通過管子內(nèi)層和外層混合擠壓成型來實現(xiàn)套管的要求，管子的外部是柔軟、可觸的表面。該表層可以是不同的塑料或者熱塑性人造橡膠材料，比如PVC、TPU、TPE，或者COPE。添加劑被加在管子壁的外層，這樣就可以利用激光來焊接管子兩端的端口部分。管子和端口處必須是透明無色的，以便測量流經(jīng)管子的液體。通過壓合過程，端口被固定到管子上。利用光束整形，激光焊接過程可以形成環(huán)形接點，從而同步的進(jìn)行焊接。壓合過程不需要額外

13、的夾具來固定。這樣，激光焊接在管子的端部就形成了密封的接點，該焊接對元件的透明度沒有任何影響。        與紫外光粘接和溶劑接合方法相比，激光焊接的主要優(yōu)勢是它可以形成一個機械連接，不需要其他任何的溶劑或者接合劑。與傳統(tǒng)的方法相比，要形成一個機械連接，激光焊接需要一個0.125英寸的長度。這個長度與常用工藝的標(biāo)準(zhǔn)可以相比擬，甚至要優(yōu)于目前的常用工藝。另外，激光焊接所需時間小于0.5秒，而紫外光粘接則需要15-20秒固化時間。一些應(yīng)用中，在管子的兩端需要有不同類型的接口（利用溶劑接合一端，由紫外光粘接另一端）。而激光焊接則

14、對兩端都適用，而溶劑接合工藝則無法實現(xiàn)。        透明的熱塑性多聚物塑料和人造橡膠也可以進(jìn)行激光焊接，可以采用近紅外吸收材料來產(chǎn)生熱能和局域熔化。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于不同的場合，表明Clearweld涂層或者添加劑能夠匹配熱塑性材料的吸收特性，從而使這些材料在工業(yè)上能實現(xiàn)激光焊接。激光焊接工藝能夠得到透明無色的焊縫。激光能量僅在兩元件交接面的焊縫處被吸收。其它區(qū)域并不吸收任何輻射，這樣工件上就沒有額外的熱應(yīng)力。        使用添加劑，技術(shù)人員可以

15、得到高質(zhì)量的接點。與使用涂層相比，根據(jù)吸收劑的不同濃度，激光輻射能夠在材料內(nèi)部更深處被吸收。這樣就形成了體積更大的熔融物質(zhì)，它對于補償更大的縫隙、或者填滿較大的偏差來說更為有利。添加劑很適合于有色透明/不透明基底材料的注模，這些基底材料被應(yīng)用于電子產(chǎn)品的外殼、醫(yī)療設(shè)備、液體容器，以及其他較小的元件，或者其它帶有較大焊接區(qū)域的元件。通過很好的調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，可以令焊縫的外觀整潔，并且焊接強度高。        激光焊接技術(shù)為工程師們提供了干凈整潔的光學(xué)無色焊接點、真空密封的特性、靈活的設(shè)計、無接觸式生產(chǎn)、無微粒且?guī)缀鯖]有閃光的加工過程，并且該技術(shù)不需要外加物質(zhì)作為粘合劑。該技術(shù)在醫(yī)療、電子、汽車、紡織品、包裝和消費品市場實現(xiàn)了新型且先進(jìn)的塑料激光焊接。此外，所使用的添加劑和涂層都具有生物相容性。