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塑料 | 橡膠 | 纖維 | 復(fù)合材料 | 涂料、油墨及膠粘劑 | 天然高分子 | 新產(chǎn)業(yè) | 標(biāo)準(zhǔn) | 技術(shù)項(xiàng)目 | 返回首頁(yè) |
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1．激光的波長(zhǎng)
在金屬材料的激光焊接工藝中，一般采用YAG或者CO2激光作為光源，塑料焊接也不例外。隨著半導(dǎo)體材料工業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體激光作為光源也漸漸得到了應(yīng)用。
三者之中，由于易于獲得較大功率，前兩者在傳統(tǒng)的材料加工工業(yè)中的使用較為普遍；而由于塑料激光焊接對(duì)光源功率大小要求不高，但對(duì)可控性和易操作性要求較高，因此半導(dǎo)體激光在塑料焊接中也很有用武之地。
CO2、Nd:YAG和半導(dǎo)體激光三種光源的波長(zhǎng)、最大功率、最小聚焦直徑等參數(shù)的典型值如下所列：
1．CO2激光：波長(zhǎng)較長(zhǎng)，為10.6微米，屬遠(yuǎn)紅外波段，一般情況下塑料材料對(duì)這一波長(zhǎng)的吸收情況好。目前最大輸出功率達(dá)50kW，轉(zhuǎn)化效率約10％，最小聚焦直徑約0.2～0.7mm。焊接塑料時(shí)熱作用區(qū)深度較深，適合于需要焊接較厚的塑料材料。CO2激光不能用光纖傳輸，只能$&*透鏡反射鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建剛性傳輸光路，從而影響激光頭的操作性。
2．Nd:YAG激光：波長(zhǎng)較短，為1.06微米，屬近紅外區(qū)波長(zhǎng)，不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)化效率為3％，最小聚焦直徑0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特點(diǎn)是聚焦區(qū)域小，可以方便地通過(guò)光纖傳輸來(lái)構(gòu)建光路，可將激光頭裝到機(jī)器人手臂上，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的數(shù)控和精密自動(dòng)化；另一方面可以較好地透過(guò)上層的待焊接材料，到達(dá)下層待焊接材料或者中間層而被吸收，從而實(shí)現(xiàn)焊接。
3．半導(dǎo)體激光：波長(zhǎng)0.8～1.0微米，最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)化效率30％，最小聚焦直徑0.5mm。由于其輸出輸出功率較小，適用于焊接激光功率要求較低的場(chǎng)合,如小型塑料器件的精密焊接。半導(dǎo)體激光能量轉(zhuǎn)化效率高,易于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化和便攜化。
2．塑料材料
能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。
塑料激光焊接技術(shù)對(duì)被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對(duì)激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對(duì)光波的透過(guò)性好，尤其在對(duì)兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。目前能夠使用激光焊接的單種成分塑料包括：
PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂（有機(jī)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－聚氯乙稀塑料，Nylon 6－尼龍6，Nylon 66－尼龍66，PS－PS樹脂，等等。
上述各種塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡膠、纖維甚至紡織物都可以作為被焊接的對(duì)象。由于激光焊接具有傳統(tǒng)焊接不具備的熱作用區(qū)小、控制精確容易的特點(diǎn)，因此上述各種單體材料之間也可以進(jìn)行焊接。
3．吸收劑
吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。如前所述，塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。塑料自身能夠以較高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收劑的情況下，塑料對(duì)光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。
通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長(zhǎng)的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化更快、效果更好。一些其他顏色的染料也能夠起到相同的吸收光波的效果。
英國(guó)焊接學(xué)會(huì)（TWI，The Welding Institute）研制出了一種對(duì)可見光透明的染料。用這種染料做吸收劑，可以得到透明的塑料焊縫。碳黑在吸收紅外波段的激光光波的同時(shí)，也吸收可見光波，這也是碳黑看起來(lái)為黑色的原因，用碳黑作吸收劑會(huì)使激光焊接焊縫顏色變深，與母材顏色不同。TWI研制出的對(duì)可見光透明的染料只吸收紅外波段的電磁波，不吸收可見光，因此看起來(lái)焊縫仍然是透明的。
很多情況下，塑料焊接要求成品美觀、精致，因此相比碳黑，對(duì)可見光透明的染料吸收劑非常受青睞。
添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過(guò)吸收劑的塑料件放在下面，而把沒(méi)有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過(guò)；二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化；三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。
4．其他參數(shù)
與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過(guò)熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來(lái)選擇激光功率。
塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以達(dá)到750m/min。
5．軟件
激光焊接系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)軟件的作用是對(duì)激光頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度、激光功率等一般性的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化控制，以達(dá)到提高加工速度和精度、改善加工質(zhì)量的目的，這些與傳統(tǒng)的激光加工中的軟件控制并沒(méi)有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收劑的特殊作用，塑料激光焊接控制系統(tǒng)和加工系統(tǒng)又有其自身的特色。
英國(guó)TWI研究所結(jié)合其ClearWeld塑料焊接工藝，設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算預(yù)測(cè)吸收劑用量及用法的軟件。根據(jù)不同材料的厚度、顏色、吸收比率等，結(jié)合激光器的功率、光波透過(guò)率等參數(shù)，在焊接前用軟件計(jì)算吸收劑的用量和添加方法，再根據(jù)預(yù)測(cè)的用量添加吸收劑。
提供給軟件的輸入數(shù)據(jù)包括：塑料材料特性：種類、厚度、顏色；焊接數(shù)據(jù)：焊接區(qū)域形狀復(fù)雜程度、寬度、焊接速度；激光器特性：功率、紅外光透過(guò)率等。
經(jīng)過(guò)計(jì)算和篩選，軟件給出的輸出結(jié)果包括：吸收劑種類、用量及要求的添加方式的列表，焊接過(guò)程中激光光波在上層材料中的能量損失。
軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際焊接測(cè)量的結(jié)果很接近，圖6為焊接后生成的熱影響區(qū)（HAZ）大小的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比，所用塑料材料為PMMA。
可見，軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。由于塑料激光焊接的規(guī)律性較強(qiáng)，有較好的可預(yù)測(cè)性，因此，采用軟件計(jì)算篩選方法預(yù)測(cè)結(jié)果是非常有效和可行的。