塑料廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,工業(yè)生產(chǎn)對塑料的需求量已經(jīng)逐步接近甚至超過了鋼鐵材料。特別是在電子制造、醫(yī)療、食品包裝、汽車等行業(yè),塑料已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵材料之一,生產(chǎn)中對各個(gè)塑料零部件的精準(zhǔn)、高強(qiáng)度連接需求,也在隨著塑料的大量使用而日益增多。
圖1:焊接汽車塑料件。
塑料件連接工藝的選擇,對塑料制品的最終應(yīng)用有著重要影響。傳統(tǒng)的塑料連接工藝有螺紋連接、膠黏連接、插入連接、壓合連接等,以及以熱板焊接、超聲波焊接為代表的熔融連接。這些結(jié)合方式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、連接方便,適用性強(qiáng);但缺點(diǎn)也比較明顯,比如有特定形狀要求,連接強(qiáng)度相對較低,在面對三維幾何形狀、中空等復(fù)雜不規(guī)則圖形,以及大型零部件,乃至連接后對氣密性有一定要求的塑料件,可操作空間小,效率較低。
圖2:焊接白色結(jié)構(gòu)件。
與此同時(shí),在追求產(chǎn)品創(chuàng)新與品質(zhì)提升的現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域,對焊接質(zhì)量的要求越來越高。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,也推動(dòng)了塑料焊接工藝的逐步應(yīng)用,激光塑料焊接技術(shù)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向,正逐漸成為連接材料的新寵,常用于白色家用電器塑料件、汽車塑料件等部件的焊接。
激光塑料焊接原理
激光塑料焊接又稱為激光透光焊接,要求上層塑料工件透光率高,下層工件則能吸收激光能量,因此當(dāng)前主流焊接的對象為“透明塑料+黑色塑料”、“透明塑料+透明塑料”的組合方式。
由于大部分透明塑料對800nm~1100nm波段的光透過率較高,吸收小,基于此納飛光電推出了980nm半導(dǎo)體激光器,其在緊湊的結(jié)構(gòu)中集成了高精度控制系統(tǒng),使用方便。其利用先進(jìn)的半導(dǎo)體激光技術(shù),輸出中心波長為980nm的近紅外激光,該波長的激光能量能穿透透明或半透明塑料表面,被下層吸收并轉(zhuǎn)化為熱能,可用于實(shí)施精準(zhǔn)高效的塑料焊接。該激光器具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率,提供連續(xù)激光輸出,功率級別可以根據(jù)焊接工藝需求選擇,范圍可以從數(shù)瓦至數(shù)百瓦調(diào)節(jié)輸出,使其可兼顧大面積、高速度的塑料組件焊接作業(yè)。
激光塑料焊接實(shí)際應(yīng)用中除了包括激光器本體,還需要搭配焊接頭以及焊接夾具等。使用980nm半導(dǎo)體激光器進(jìn)行塑料焊接時(shí),先將兩個(gè)待焊接零部件借助夾具裝配在一起,焊接的基本原理是焊接頭輸出的激光束透過上層透明塑料,在程序控制下精確投射到下層塑料件的待焊接區(qū);下層塑料在吸收高度聚焦的激光能量后熔融,并使上下兩層塑料件接觸面熱交換充分熔化并結(jié)合在一起,在一定外力輔助下,冷卻后形成焊縫,完成最終焊接。
圖3:焊接電路板塑料結(jié)構(gòu)件。
同時(shí),借助專用的控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)透射焊接過程中的精確熱量控制和局部加熱,焊接質(zhì)量一致,避免對周邊材料造成不良影響,廣泛應(yīng)用于汽車零部件、醫(yī)療器械、電子元件等行業(yè)中的精密塑料部件焊接。
PC+ABS塑料焊接測試
實(shí)際操作中,為了保證焊縫質(zhì)量和足夠的熔融深度,還需要綜合考慮焊接速度與激光功率的關(guān)系,找到最優(yōu)的工藝窗口。
以焊接PC、ABS塑料進(jìn)行測試,先將兩種塑料件置于載具疊放,并使用夾具施加壓力夾緊。
調(diào)整激光輸出功率到300W、焊接速度設(shè)定為20mm/s時(shí)(最大可達(dá)10000mm/s),兩層塑料焊接成功,焊縫融合均勻,焊縫寬度適中,密封性好,經(jīng)拉力測試強(qiáng)度達(dá)到要求。
激光輸出功率保持300W不變,當(dāng)焊接速度降低調(diào)整到10mm/s時(shí),兩層塑料焊接成功,焊縫融合均勻,焊縫較寬,密封性好;但由于熔池溫度過高,可能導(dǎo)致其中部分材料分解,從而致使焊接強(qiáng)度降低。
而當(dāng)功率調(diào)整到200W,焊接速度設(shè)定為20mm/s時(shí),焊縫寬度適中,融合情況良好,密封性好,拉力測試強(qiáng)度低于高功率時(shí)焊接的強(qiáng)度。
激光焊接優(yōu)勢
激光焊接與熔融結(jié)合的工藝類似,但前者的優(yōu)勢更為明顯:
首先,精準(zhǔn)度高,激光的光斑小且高度均勻性,能夠精確地對準(zhǔn)更微小的焊接部位,能夠迅速將激光能量轉(zhuǎn)化為焊接所需的能量,實(shí)現(xiàn)精密焊接,并能大幅度提升焊接效率。結(jié)合專業(yè)設(shè)計(jì)的焊接頭,能夠確保激光能量在焊接區(qū)域得到充分吸收,保證焊接處的強(qiáng)度。
其次,熱影響區(qū)小,能夠在焊接過程中避免對塑料表面造成熱損傷,保持了材料的透明性和光潔度。這使得透光焊接后的產(chǎn)品既保持了原有的外觀特性,又增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。
第三,解決了傳統(tǒng)焊接方式在焊接速度和焊接質(zhì)量之間的矛盾,能在短時(shí)間內(nèi)完成大面積焊接,大大提高了生產(chǎn)效率。一個(gè)原本需要數(shù)小時(shí)的焊接作業(yè),現(xiàn)在只需幾分鐘或幾十分鐘就能輕松完成,節(jié)省了大量的時(shí)間和成本。
此外,非接觸式的焊接作業(yè),避免了傳統(tǒng)連接方式產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和振動(dòng),保護(hù)了塑料表面的完整性,也保證了焊縫的精密性,材料間的連接更加緊密可靠,密封性極佳,滿足了防水、防塵等高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品要求。
圖4:焊接汽車塑料件。
小結(jié)
目前,980nm半導(dǎo)體激光器已經(jīng)展現(xiàn)了強(qiáng)勁的市場潛力和應(yīng)用價(jià)值,是塑料焊接的利器,尤其是在汽車塑料焊接方面,帶來了實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的焊接效果。在內(nèi)飾焊接中,可用于儀表盤、中控臺(tái)等的焊接;在外飾件焊接中,可輕松勝任車門把手、車燈等的焊接;在汽車電子零部件焊接方面,980nm半導(dǎo)體激光器同樣表現(xiàn)出色,可用于諸多電子元器件的塑料焊接,顯著提高連接強(qiáng)度和密封性,確保了各個(gè)零部件的穩(wěn)定性和可靠性。未來,隨著功能的不斷開發(fā),980nm產(chǎn)品還將迎來更為廣泛的應(yīng)用。
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