熱塑性塑料的激光焊接：激光、材料、工藝和質(zhì)量概述

塑料焊接是一種用于生產(chǎn)許多塑料設(shè)備的工藝，用于將不同的部件連接成一個(gè)部件。待連接的表面熔化，形成的界面熔化層在壓力下固化。有許多焊接熱塑性塑料的技術(shù)，即：熱工具焊接，通過(guò)與熱金屬板直接接觸加熱連接表面、超聲波和線性振動(dòng)焊接，加熱通過(guò)振動(dòng)和摩擦、電阻植入焊接和介電焊接，熱量由電磁熱源和激光焊接產(chǎn)生，激光束用于熔化熱塑性塑料接頭區(qū)域。激光焊接與其他焊接方法相比有許多優(yōu)點(diǎn)。它需要在有限的區(qū)域施加少量的熱量，并顯示出更高的接頭強(qiáng)度和更高質(zhì)量的焊縫。此外，它還可以焊接復(fù)雜的形狀。其他優(yōu)點(diǎn)包括零件與焊接工具之間沒(méi)有接觸，零件上沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力。另一方面，激光焊接對(duì)聚合物材料、加工歷史、色素沉著和添加劑更敏感。該技術(shù)具有獨(dú)特的加工和性能特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄膜、片材或模塑部件的局部精確焊接。其他優(yōu)點(diǎn)包括零件與焊接工具之間沒(méi)有接觸，零件上沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力。另一方面，激光焊接對(duì)聚合物材料、加工歷史、色素沉著和添加劑更敏感。該技術(shù)具有獨(dú)特的加工和性能特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄膜、片材或模塑部件的局部精確焊接。其他優(yōu)點(diǎn)包括零件與焊接工具之間沒(méi)有接觸，零件上沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力。另一方面，激光焊接對(duì)聚合物材料、加工歷史、色素沉著和添加劑更敏感。該技術(shù)具有獨(dú)特的加工和性能特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄膜、片材或模塑部件的局部精確焊接。

一般來(lái)說(shuō)，熱塑性塑料的激光焊接工藝有四個(gè)常見步驟來(lái)定位待焊部件。根據(jù)要使用的技術(shù)，激光輻射透明的部件必須面向激光束。此外，零件必須緊密接觸；（加熱要連接的界面區(qū)域。加熱過(guò)程可能會(huì)有所不同，這取決于零件的幾何形狀、所需的最終產(chǎn)品和所使用的材料。)施加壓力的目的是通過(guò)分子鏈擴(kuò)散和界面處分子纏結(jié)的形成來(lái)促進(jìn)焊接。它可以同時(shí)發(fā)生在加熱階段和后續(xù)步驟中。冷卻階段。在冷卻過(guò)程中，接口具有必要的穩(wěn)定性，因此零件可以在不影響接頭的情況下進(jìn)行處理。通常發(fā)生在冷卻階段，壓力保持在低于步驟iii的壓力值。

激光焊接技術(shù)受到激光輻射與材料相互作用的強(qiáng)烈影響。沖擊材料表面的輻射可以被反射、透射和/或吸收。然而，使用該技術(shù)，激光輻射必須在必須形成焊縫的精確位置被有效吸收。吸收的光局部轉(zhuǎn)化為熱。熱量導(dǎo)致聚合物熔化，允許鏈段運(yùn)動(dòng)，聚合物鏈相互混合，形成纏結(jié)。冷卻后，它凝固形成焊縫。輻射與材料表面的相互作用取決于材料類型和添加劑含量，以及激光特性（波長(zhǎng)、功率、光斑大小或形狀和光束質(zhì)量）。來(lái)自遠(yuǎn)紅外(IR)激光源(10600nm)的激光輻射容易被表面吸收，通常用于直接焊接。另一方面，大多數(shù)聚合物在400?在1600nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出高透光率(即低吸收率)。在此范圍內(nèi)工作的激光源的激光輻射主要由聚合物傳輸，因此只能用于激光傳輸和焊接。在這種情況下，必須將吸收器添加到要焊接的零件中。由于熱塑性塑料固有地吸收了這些波長(zhǎng)的輻射，開發(fā)了更長(zhǎng)的波長(zhǎng)(1500?新型激光器2200nm，開辟了不使用添加劑(吸收層或試劑)焊接透明熱塑性塑料的可能性。

激光焊接發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的新應(yīng)用，從醫(yī)療行業(yè)（組裝各種容器和液體過(guò)濾器、連接袋、管道等）[15]、電子行業(yè)（組裝手機(jī)、鍵盤等）到汽車行業(yè)（從多媒體面板到前燈外殼）、[16]。綜上所述，熱塑性塑料激光焊接已成為激光技術(shù)的獨(dú)立組成部分，具有重要的科學(xué)和工業(yè)潛力。論文闡述了連接醫(yī)療設(shè)備密封外殼的熱塑性聚合物的焊接方法。本文的目的是回顧熱塑性激光焊接的某些方面，主要關(guān)注激光系統(tǒng)、材料、工藝參數(shù)和質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)。本文首先介紹了焊接的基本知識(shí)（第一部分），強(qiáng)調(diào)了與其他焊接方法相關(guān)的主要方面和優(yōu)點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹了激光焊接的各個(gè)方面。第二節(jié)首先討論了熱塑性激光焊接的各種激光系統(tǒng)。然而，這是當(dāng)今最常用的激光焊接技術(shù)。還討論了該技術(shù)的一些技術(shù)變體，如使用填充材料的激光焊接工藝。在接下來(lái)的一節(jié)中，將討論不含添加劑的LTW技術(shù)，在1.5萬(wàn)?激光在2200nm范圍內(nèi)發(fā)射的出現(xiàn)使該技術(shù)成為可能。第五節(jié)討論了熱塑性激光焊接中最常用的材料，并回顧和討論了它們的幾個(gè)例子。第一部分介紹了同一材料零件的激光焊接，然后是不同材料零件的激光焊接。然后在第六節(jié)討論了輪廓焊接、同步焊接、準(zhǔn)同步焊接和面罩焊接等各種變體或技術(shù)。第七節(jié)討論了主要控制變量或工藝參數(shù)及其影響，包括聚合物成分和預(yù)焊條件（厚度）對(duì)工藝的影響。最后，第八節(jié)討論了幾種用于評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的表征技術(shù)。

焊接熱塑性塑料的激光器

激光焊接的首次示范出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，特別是用于焊接鋼板或不銹鋼[8]、[9]。然而，由于激光源和方法的改進(jìn)，它直到20世紀(jì)90年代才成為一種廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中的焊接技術(shù)。目前，熱塑性材料的焊接主要有四種激光類型。表1描述了它們的波長(zhǎng)、效率和光束質(zhì)量。圖2顯示了它們的發(fā)射波長(zhǎng)。

激光透射焊接

該技術(shù)基于以下事實(shí)：未著色的聚合物可以傳遞NIR波長(zhǎng)輻射，但通過(guò)添加吸收劑，它們可以吸收激光輻射，從而實(shí)現(xiàn)聚合物的局部加熱和熔化。與遠(yuǎn)紅外二氧化碳激光波長(zhǎng)技術(shù)相比，NIR激光器（Nd:YAG和二極管激光器)可以以不同的方式使用激光焊接。

無(wú)吸收體焊接技術(shù)

激光焊接中最常用的過(guò)程取決于使用標(biāo)準(zhǔn)材料。上部-透明部分-激光輻射應(yīng)透明，下部-吸收部分-應(yīng)吸收激光輻射。通常，下部必須包括添加劑、顏料或染料，以提高其吸收率。最常用的吸收劑是CB，它把零件變成黑色。這種組合顯然限制了設(shè)計(jì)的可能性。

激光焊接材料

激光焊接是一種廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)熱塑性塑料材料的高質(zhì)量焊接接頭的技術(shù)方法。最常見的是類似于熱塑性塑料的焊接，其中要焊接的兩個(gè)部件都是相同的材料。由于熔點(diǎn)和化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，在加熱過(guò)程中提供了更好的聚合物鏈混合，有利于焊接過(guò)程。類似熱塑性塑料的激光焊接在焊接質(zhì)量上往往表現(xiàn)出更好的效果。

塑料激光焊接工藝

激光焊接有多種方法可供選擇，它們?cè)诩す馐秃附硬考南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)上有所不同。這些方法可分為輪廓焊接、同步焊接、準(zhǔn)同步焊接、面罩焊接和復(fù)合焊接五個(gè)主要過(guò)程。

在輪廓焊接中，機(jī)械臂通常用于控制激光運(yùn)動(dòng)。與零件相比，激光輻射束在接頭上方形成單通道。輪廓焊接非常靈活，特別適合。用于塑料激光焊接的控制參數(shù)

對(duì)于所有塑料焊接技術(shù)來(lái)說(shuō)，溫度、時(shí)間和壓力是三個(gè)最關(guān)鍵的工藝參數(shù)。在激光焊接中，這些參數(shù)由激光功率、焊接速度、激光斑點(diǎn)大小、照射時(shí)間、激光工作距離、夾緊壓力和激光吸收添加劑的類型和濃度（如有）控制。激光焊接中的能量密度由激光功率、接頭處的激光斑點(diǎn)大小和照射時(shí)間（同時(shí)評(píng)價(jià)材料和接頭的表征技術(shù)激光焊接通過(guò)局部焊接能量的控制精度，為連接對(duì)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力敏感的熱塑性塑料提供了各種可能性。為了控制焊接過(guò)程，可以使用各種技術(shù)來(lái)評(píng)估焊接質(zhì)量。這些技術(shù)的范圍從使用放大鏡簡(jiǎn)單地觀察焊接接頭到使用更復(fù)雜的設(shè)備，如熱成像。

結(jié)論

在許多應(yīng)用中，越來(lái)越多的聚合物被用來(lái)代替金屬或其他材料，這需要開發(fā)連接熱塑性塑料的新技術(shù)。多年來(lái)，許多技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，但激光焊接已經(jīng)取得了突出的地位，因此它越來(lái)越成為研發(fā)的興趣領(lǐng)域。熱塑性塑料激光焊接是一種高度特殊的技術(shù)，用于在高速焊接的應(yīng)用中連接塑料部件