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半导体激光塑料焊接系统技术与应用

半导体激光塑料焊接机相对于传统的热热塑焊接、胶合焊接以及超声波焊接方法具有机械应力低、对表面无损伤、焊接强度好、焊缝小、加工柔性好、绿色环保等优点而越来越得到工业界的青睐。激光焊接技术已经成功应用于医疗器械、汽车零部件制造、传感器制造、化妆品包装瓶等高端加工生产线。随着激光光源、塑料材料、助焊添加材料的进步,半导体激光塑料焊接系统逐渐成为一种新兴的、潜在需求巨大的激光焊接技术。同时搭载镭之源激光电源的激光塑料焊接系统更是受到市场的青睐。

半导体激光塑料焊接系统原理

与热熔焊和超声波塑料焊接类似激光焊接也是将被焊接的塑料焊点加热,热塑性软化后相互流动导致大分子链相互交联从而达到焊接的效果;但最大的不同是热熔焊是热传导加热,超声波焊接是采用机械振动产生的热量加热焊点,而激光焊接的加热主要靠的是塑料本身或助焊添加材料对光的吸收、散射而对焊点进行加热。由于这种特殊的加热方式严重依赖于塑料材料对光的吸收特性,因此激光塑料焊接工艺与传统塑料焊接工艺的差别巨大。

激光透射焊接一般选用800-1100nm波段的激光,这一波段的激光对于大部分可焊接的热塑性塑料有较高的透射率。两种被焊接的材料,上层材料为透射材料,激光能够很好的透过而不产生热量。下层材料为热作用区,对激光的吸收率较高,激光在被焊接材料结合面处产生热量,使得该处的塑料熔化,在适当的压力作用下发生二次聚合,冷却之后即形成可靠的焊缝。这种焊接方法对上层材料表面几乎不产生影响,焊接表面质量高。下层材料需要对激光有较高的吸收率,常用方法是在塑料中添加吸光剂,炭黑是经济、且吸收效果良好的助焊添加材料,但是添加后塑料的颜色将会成为黑色或深灰色,不能应用于下层浅色材料。为此工业界开发出了可用于透明或浅色塑料的有机和无机助焊添加材料,如Clearweld、Lumogen、Lazerflair、Fabulase等,这些助焊添加材料可混入塑料之中或者在焊接之前采用涂刷或中喷涂的方式应用在焊接结合面处。

半导体激光塑料焊接机工艺与应用

激光焊接的工艺类别可以分为轮廓扫描焊接、掩膜焊接、同步焊接、准同步焊接、激光辅助缠绕焊接等。

轮廓扫描焊接采用单光束聚焦在结合面处,并沿着被焊接部件的轮廓进行扫描,在焊接过程中需要确保被焊工件的紧密贴合,贴合度的降低会降低吸光工作对透明部件的热传导,从而直接影响到焊接点的强度与一致性。此类焊接需要激光器具有较小的光斑直径和较大的聚焦长度。为确保焊缝的质量,需要实时监控焊点的温度。

针对复杂的焊接轮廓以及精密焊缝的应用场合,单束轮廓焊接就难以保证,为此可采用掩膜焊接工艺。加工过程中金属掩膜板靠近旋转于被焊接的工件上方,线形的激光沿着掩膜的方向进行扫描。金属掩膜板采用激光或者化学蚀刻的方法制成,掩膜板的精细程度可以做到很高水平,采用掩膜焊接,焊缝的宽度可以从轮廓焊接的100um减小到5um。

同步焊接在整个焊接的路径上同时施加激光辐射加热,在焊接过程中无需移动工件和激光器。同步焊接的激光光斑有两种实施办法,一种是多个激光联合工作;另一种是将同一种激光器的光斑激光光学整形成焊接轮廓的形状。其中多个激光器联合使用的同步焊接方法,因柔性好、容易根据零部件的不同形状进行灵活配置、激光器的复用度高等特点而在工业中应用广泛。

准同步焊接是介于轮廓焊接和同步焊接的一种塑料焊接方法。该方法的特点是单束激光沿着焊接路径快速扫描,激光移动极其迅速,以至于整个焊接轮廓几乎被同时加热。这种方法即具有轮廓焊接的便捷性,又兼具同步焊接均匀应用小等优点,但这种方法的加工效率低,不适合大批量的生产线使用。

激光辅助缠绕焊接是复合材料制备的一种特殊焊接方法。该方法可有效增强复合材料层间的结合强度,从而提高复合材料的整体强度。该焊接方法已经在航空航天、调整铁路、风电、家具封条等领域使用。

激光塑料焊接技术由于具有焊接表面质量高、非接触焊接、无机械振动、精度高、绿色环保、柔性好等特点而在塑料制品加工领域日益广泛应用。半导体激光器覆盖的波长范围宽、功率扩展性好、经济可靠、是塑料焊接的优良光源。随着半导体光源技术的塑料以及相应助焊添加材料技术的发展,半导体激光塑料焊接技术前景光明。

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