随着激光器的研发不断深入,激光器所对应的的工艺应用也在越来越多的材料上成为可能。自上世纪九十年代以来,塑料激光焊接技术得到了长足发展。目前的塑料激光焊接技术已经广泛应用在了汽车零部件、医疗器械、电子电器产品、照明产品、新能源电池等各个领域。


塑料激光焊接原理

激光透射焊接中,激光光束穿透上层透射部件,照着到下层吸收激光的部件。激光能量被吸收部件中的染料或添加剂颗粒吸收,转化为热量。吸收部件融化,通过热传导,热量传递到上层透射零件中。在焊接开始前,两部件在外部压力的作用下相互接触。焊接过程中,零件被局部加热,材料的热膨胀会提供附加的内部焊接压力。在内部和外部焊接压力的共同作用下,两部件被牢固的焊接在一起。激光光束和焊接部件的相对移动形成整条焊缝。


塑料激光焊接技术的主要工艺方式有以下几种:


1.轮廓焊接

轮廓焊接时,激光束通过镜头聚焦成一定尺寸的光斑,激光镜头放置于运动轴或者机器人上,运动平台带动镜头使得光斑沿焊接线顺序运动完成焊接。


  • 轮廓焊接的设备投资成本较低,因为顺序融化塑料,需要的激光功率相对较低。

  • 轮廓焊接的柔性相对比较好,不同塑料工件的激光焊接只需要更换夹具即可。

  • 轮廓焊接根据焊缝设计的不同,可以形成没有任何焊接塌陷的焊缝,或者形成有焊接塌陷的焊缝。

需要注意的是,轮廓焊接的焊缝焊接塌陷是不可控的,根据材料的不同,焊接的焊接塌陷一般在0.1-0.2mm左右。


2.准同步焊接

准同步焊接时,激光束也是通过激光头聚焦成光斑,激光头是一个扫描振镜,内部有两面马达驱动的反射镜,可以快速反射光斑并使得光斑快速沿着焊接线进行扫描直至把焊缝完全融化。


准同步焊接工艺是一种在汽车行业通用的塑料激光焊接工艺,在焊接过程中可以实现焊缝的塌陷,通过焊缝的塌陷,可以补偿注塑工件及夹具产生的误差,降低对注塑件的精度要求。同时,通过监控焊缝的塌陷量,可以实现非常经济的在线过程及质量监控。

准同步焊接工艺是塑料激光焊接技术中应用最为广泛的工艺,它焊接速度相对较快,对注塑件要求较低,可以以较经济的方式实现质量及过程监控。


3.同步焊接

同步焊接是一种极其高效的塑料激光焊接工艺,激光单元直接按照焊缝的形状进行排列,将塑料工件置于排列的激光下面照射完成焊接。也有一些技术直接将激光束通过整形技术形成焊缝形状,这种技术的局限性在于只能形成对称性的焊缝形状,而且尺寸不能太大。


同步焊接也可以通过焊缝的塌陷来补偿注塑件或者夹具形成的误差,焊接塌陷也可以作为塑料激光焊接的质量监控依据。但是,同步焊接设备的柔性比较差,换型成本很高,只能适用于对生产节拍敏感的单一产品的大批量生产。同步焊接的设备造价相当昂贵,一般需要百万欧左右。


4.滚压焊接

滚压焊接是一种创新性的激光塑料焊接工艺,它有多种不同的形式。主要的滚压焊接形式有两种:

      第一种是滚珠焊接,激光镜头端部有一个气垫式玻璃球,这个玻璃球同时起到聚焦激光以及夹紧塑料件的作用。在焊接过程中,Globo镜头由运动平台带动沿着焊接线滚动完成焊接,整个过程就犹如圆珠笔写字一样简单。Globo焊接过程无需复杂的上夹具,只需要制作一个底模支撑产品即可。Globo滚珠焊接工艺还有一个变种Roller滚筒焊接工艺,区别在于将镜头端部的玻璃球改成圆柱状玻璃桶以得到较宽的激光线段,Roller滚筒焊接适宜于较宽的焊接的焊接。


      第二种是TwinWeld焊接工艺,这种塑料激光焊接工艺在镜头的端部加装了一个金属压轮,在焊接过程中,压轮压住焊接线边缘进行焊接。这种塑料激光焊接工艺的优点在于金属压轮不会产生磨损,有利于规模化生产。但是压轮的压力作用于焊接线边缘,容易产生力矩,形成各种焊接缺陷。同时由于镜头结构相对较复杂,为焊接编程造成一定的困难。


5.掩膜焊接

掩膜焊接是一种焊接复杂焊缝或精密流道的塑料激光焊接技术,激光束整形成为一定长度的线状光斑,塑料工件搁置于一块玻璃基或塑料基的掩膜板下方,激光束扫射焊接面完成焊接。掩膜板一般采用玻璃或者亚克力材质,在不需要激光焊接的部位镀上铬、铜、金等反射激光的金属,这样线状激光扫过时,没有镀层的位置的塑料都被焊接上。


掩膜焊接最适合微流控芯片等流体器械的塑料激光焊接封装,掩膜焊接也适合极其微小及精密焊缝的塑料激光焊接。


塑料激光焊接样品



2019年06月27日

激光表面淬火工艺研究
汽车塑料部件激光焊接工艺

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