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激光成未来塑料焊接趋势:光源及材料选择

天星激光 2021-09-13 14:45:39

目前塑料焊接使用较多的方法有超声波焊接、热板焊接、振动摩擦焊接、激光焊接等。激光焊接作为一种非接触焊接技术,与其他焊接方法相比,具有非接触、不透气、不漏水、快速高效、精度高、焊缝美观、产品外形无限制、易控制、适应性强等优点,将成为未来焊接的趋势。



图1 激光焊接的示意图


  激光焊接的原理是两种塑料在低压力下被夹紧在一起,通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统,将激光器产生的光束聚焦于两种聚合物制品,其中一种聚合物制品对于近红外激光是透射的,另一种聚合物制品吸收激光,吸收激光能量的制品将光能转为为热能,在塑料的接触面熔化,同时热也传导到透射近红外光线的制品表面,形成熔化区。在夹紧力的作用下,熔化区域产生分子间的混合,冷却后形成焊缝。


一、激光焊接的光源

  在激光焊接工艺中,一般采用YAG或者CO2激光作为光源。随着半导体材料工业的快速发展,半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。各种光源焊接的特点如表1所示:



表1 各种光源激光焊接的特点

  

二、激光焊接用的材料

  汽车上目前多采用YAG激光作为激光焊接的光源,特别是在车灯焊接应用中。此激光的波长属于近红外光区域,通常塑料在此区域内吸收性不是很好,吸收效率低,熔融情况差。需要在塑料中添加近红外光吸收剂来提供材料对激光的吸收。通常理想的吸收剂是碳黑,碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收,从而大大提高塑料的热吸收效果,使得热作用区的材料融化更快、效果更好。

但是炭黑的使用限制了材料的颜色,影响了使用。碳黑在吸收红外波段的激光光波的同时,也吸收可见光波,这也是碳黑看起来为黑色的原因,用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深,与母材颜色不同。研制对可见光透明的染料是一种解决手段,用这种染料做吸收剂,可以得到透明的塑料焊缝,这种染料只吸收红外波段的电磁波,不吸收可见光,因此看起来焊缝仍然是透明的。除了染料,也可以通过添加金、氧化钨等复合纳米材料通过表面等离子体共振吸收效应来实现对近红外光的吸收。国内外一些材料厂家开始开发适合激光焊接的材料。

中电科天之星研发生产的输出功率高达130W2μm光纤激光器,它拥有输出稳定、低能耗高效率、结构紧凑、可靠性高这些特点,使工业化的激光加工触手可及,为激光焊接技术提供了另一种方案。液态水的吸收带宽在1950nm左右,2µm能够明显促进水吸收,当碳氢分子键的受2μm光激发时,构成聚合物长链的大分子段可以通过延伸摆动、弯曲或旋转形成振荡,这些2μm波段的波长接近基本碳氢键创建电子振动的激励的收缩吸收波长1.7μm。已研究结果表明2微米对几乎所有的未填充聚合物的吸收比在1μm波段都要明显,通过对激光光束在时间和空间上加以控制,几乎所有的光可透性热塑性聚合物熔化都是可控的,这项新技术消除了通过传输激光焊接技术的主要局限性,不需要在使用激光焊接技术加入聚合物时使用吸收剂。

激光焊接作为一种非接触、快速美观的焊接方式,2微米激光焊接的应用空间将十分广阔,天星激光已联合国内某热塑材料巨头及日本某公司先进技术,在2微米激光焊接上开展了一系列合作。随着激光光源的发展和激光焊接专用材料的开发,无论是汽车制造业还是其他行业,激光焊接都将成为未来塑料焊接的发展趋势。


来源:荣格             编辑:天星激光



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