​工程塑料的激光焊接技术

1. 概述

热塑性塑料激光焊接是一种新型的焊接技术，具有许多优点。这2f51bc56-5e45-42de-a2a4-1f07201b293b是一种非常有用的焊接方法，还是一种可以替代传统螺钉,粘合剂的经济有效的方法。因为只有接缝的区域是加热的，没有机械应力，该技术适用于特别敏感的元件，例如电子或医疗技术。

本文介绍了激光焊接的原理和一些改进的工艺以及对材料的要求。

2. 优点

热塑性塑料的激光焊接与传统焊接方法相比，如热工具焊接、振动焊接或超声波焊接，有很多优点:

成型件无机械应力少量热量施加到有限的区域可焊接刚度不同的零件无接触（无熔胶，成型件上无标记）可焊接不同粘度的材料几乎没有腐蚀过程可以修理焊缝

这些优点是基于以下事实：传统方法的焊接对聚合物材料，加工历史，色素沉着和添加剂不太敏感。目前，该方法**有用的改进无疑是透射焊或搭接焊。

工艺描述

激光焊接的连接过程是将辐射能在材料内部吸收转化为热量，使连接区域局部熔化(图1)。因此，传输过程的基本要求是合适的材料组合。

短波红外辐射几乎不受阻碍地穿过上传输接头组件，并在下接头组件内的0.1-0.5mm深度处被完全吸收，从而转化为热量

（1）通过提供的能量

（2）在吸收区域中加热并熔化该接头组件。熔化增加了体积并弥合了接头间隙。接触实现了两个接头组件

（3）之间的热传递。激光传输接头组件也被传导热熔化

3. 聚合物材料的辐射源（激光）和光学特性

吸收强度由材料及其添加剂决定，也由激光光源发射的波长决定。通过对材料进行适当的修改，可以将材料的辐射光学性能控制在一定的范围内。吸收光谱提供了入射能量作为波长函数的转换信息。

透射度是指塑料透射焊的主要辐射源(图2)为短波红外发射源:固态激光器（Nd：YAG激光器，λ= 1,064nm）大功率二极管激光器（λ= 800 -1,000nm）

无论填料或添加剂的含量如何，中长波长的红外辐射都可以在聚合物的表面被完全吸收。这意味着二氧化碳激光器（λ= 10,600nm）***于薄膜焊接。

***一代大功率二极管激光器具有体积小、成本低和效率高的特点，但这些激光器的聚焦能力有限，因此不适合工艺的每一个修改。

4. 变量和重要的工艺参数

如果将低吸收性热塑性塑料与吸收性和化学相容性材料结合使用，则对激光焊接具有良好的适用性。因此，需要选择用于透射焊接的激光功率和激光可渗透材料，以使激光束的透射能量密度足以熔化吸收材料。

激光束穿透塑料的深度取决于各种各样的变量例如：激光束的波长化学成分形态添加剂的性质和数量（纤维，着色剂，增塑剂和填料）

形态

非晶态热塑性塑料*吸收一小部分入射激光束，因此理论上的穿透深度可达到100mm或更大。半结晶热塑性塑料的光学性质完全不同：存在的二级结晶结构（例如球晶）会散射激光束。

填充剂及加强材料

工程塑料通常具有填充剂和增强材料，它们可以分散甚至吸收入射的红外辐射。尽管玻璃纤维本身可透过红外辐射，但辐射在纤维与基质之间许多界面处的散射会增加光路，从而降低透射率。

在有色塑料中，颜料或染料的含量起着重要作用。穿透深度越低，损坏材料的风险就越大。在较低的颜料含量下，吸收接合部位可能会相对较深地熔化且不会对材料造成热损伤。

体积膨胀的结果增加了熔体接触的时间，从而增加了焊接强度。因此，可以通过掺入填料和/或颜料来调整吸收和传输行为，甚至在只有几微米厚的层内达到表面吸收的极限。

控制特定添加剂的加入可以产生有色塑料，这些塑料在眼睛上看起来相同，但实际上具有透射焊接所需的不同的吸收性能。

工艺参数

为了获得良好的焊接质量，必须在比较大和**小的进给速度和激光功率的限制范围内操作。由于焊接所需的扩散过程需要一定时间才能起高温作用，如果进给速率过高或激光功率过低就会产生问题。另一方面，如果进给速度过低或激光功率过高，则会导致材料分解。

5. 适用材料

非晶态热塑性塑料（如PSU）在通常使用的波长范围内显示出理想的透射特性。相比之下，即使没有添加剂，半结晶热塑性塑料（例如***BT和POM）也可以吸收和反射相当一部分激光能量。

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