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技術資料

塑料激光焊接機的技術資料

2011-11-26 返回列表

1.激光的波長在金屬材料的激光焊接工藝中,一般采用YAG或者CO2激光作為光源,塑料焊接也不例外。隨著半導體材料工業的快速發展,半導體激光作為光源也漸漸得到了應用。三者之中,由于易于獲得較大功率,前兩者在傳統的材料加工工業中的使用較為普遍;而由于塑料激光焊接對光源功率大小要求不高,但對可控性和易操作性要求較高,因此半導體激光在塑料焊接中也很有用武之地。CO2、Nd:YAG和半導體激光三種光源的波長、最大功率、最小聚焦直徑等參數的典型值如下所列:1.CO2激光:波長較長,為10.6微米,屬遠紅外波段,一般情況下塑料材料對這一波長的吸收情況好。目前最大輸出功率達50kW,轉化效率約10%,最小聚焦直徑約0.2~0.7mm。熱熔焊接塑料時熱作用區深度較深,適合于需要焊接較厚的塑料材料。CO2激光不能用光纖傳輸,只能$&*透鏡反射鏡組成的光學系統來構建剛性傳輸光路,從而影響激光頭的操作性。2.Nd:YAG激光:波長較短,為1.06微米,屬近紅外區波長,不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW,轉化效率為3%,最小聚焦直徑0.1~0.5mm。Nd:YAG激光的特點是聚焦區域小,可以方便地通過光纖傳輸來構建光路,可將激光頭裝到機器人手臂上,實現焊接過程的數控和精密自動化;另一方面可以較好地透過上層的待焊接材料,到達下層待焊接材料或者中間層而被吸收,從而實現焊接。3.半導體激光:波長0.8~1.0微米,最大輸出功率6kW,轉化效率30%,最小聚焦直徑0.5mm。由于其輸出輸出功率較小,適用于焊接激光功率要求較低的場合,如小型塑料器件的精密焊接。半導體激光能量轉化效率高,易于實現激光器的小型化和便攜化。2.塑料材料能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上,所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。塑料激光焊接技術對被焊接塑料的要求為:在熱作用區內的材料,要求對激光光波的吸收性好;不屬于熱作用區部分的材料,則要求對光波的透過性好,尤其在對兩件薄塑料件進行疊焊時更是如此。一般向熱作用區塑料中添加吸收劑可以達到目的。目前能夠使用激光焊接的單種成分塑料包括:PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂(有機玻璃),PC塑料,ABS塑料,LDPE-低密度聚乙烯塑料,HDPE-高密度聚乙烯塑料,PVC-聚氯乙稀塑料,Nylon6-尼龍6,Nylon66-尼龍66,PS-PS樹脂,等等。上述各種塑料制成的塑料件,如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡膠、纖維甚至紡織物都可以作為被焊接的對象。由于激光焊接具有傳統焊接不具備的熱作用區小、控制精確容易的特點,因此上述各種單體材料之間也可以進行焊接。3.吸收劑吸收劑的應用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。如前所述,塑料激光焊接的本質是將熱作用區的待焊接塑料融化,隨后冷卻自然實現塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。塑料自身能夠以較高吸收率吸收激光能量自然最好,但一般在不添加吸收劑的情況下,塑料對光波的吸收性不是很好,吸收效率很低,融化效率不理想。通常理想的吸收劑是碳黑,碳黑能夠將紅外波長的激光能量基本全部吸收,從而大大提高塑料的熱吸收效果,使得熱作用區的材料融化更快、效果更好。一些其他顏色的染料也能夠起到相同的吸收光波的效果。英國焊接學會(TWI,TheWeldingInstitute)研制出了一種對可見光透明的染料。用這種染料做吸收劑,可以得到透明的塑料焊縫。碳黑在吸收紅外波段的激光光波的同時,也吸收可見光波,這也是碳黑看起來為黑色的原因,用碳黑作吸收劑會使激光焊接焊縫顏色變深,與母材顏色不同。TWI研制出的對可見光透明的染料只吸收紅外波段的電磁波,不吸收可見光,因此看起來焊縫仍然是透明的。很多情況下,塑料焊接要求成品美觀、精致,因此相比碳黑,對可見光透明的染料吸收劑非常受青睞。添加吸收劑的方法有3種:一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑,這樣應該將滲過吸收劑的塑料件放在下面,而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面,讓激光光波通過;二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑,這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區而被融化;三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。4.軟件激光焊接系統中,計算機軟件的作用是對激光頭的運動軌跡和速度、激光功率等一般性的工藝參數進行數字化控制,以達到提高加工速度和精度、改善加工質量的目的,這些與傳統的激光加工中的軟件控制并沒有什么不同,但由于塑料激光焊接中吸收劑的特殊作用,塑料激光焊接控制系統和加工系統又有其自身的特色。英國TWI研究所結合其ClearWeld塑料焊接工藝,設計開發了計算預測吸收劑用量及用法的軟件。根據不同材料的厚度、顏色、吸收比率等,結合激光器的功率、光波透過率等參數,在焊接前用軟件計算吸收劑的用量和添加方法,再根據預測的用量添加吸收劑。提供給軟件的輸入數據包括:塑料材料特性:種類、厚度、顏色;焊接數據:焊接區域形狀復雜程度、寬度、焊接速度;激光器特性:功率、紅外光透過率等。經過計算和篩選,軟件給出的輸出結果包括:吸收劑種類、用量及要求的添加方式的列表,焊接過程中激光光波在上層材料中的能量損失。軟件的計算結果與實際焊接測量的結果很接近,圖6為焊接后生成的熱影響區(HAZ)大小的計算值和實際測量值的對比,所用塑料材料為PMMA。可見,軟件計算結果與實測結果非常接近。由于塑料激光焊接的規律性較強,有較好的可預測性,因此,采用軟件計算篩選方法預測結果是非常有效和可行的。5.其他參數與金屬焊接不同,塑料熱熔焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大,塑料件上的熱作用區就越大、越深,將導致材料過熱、變形、甚至損壞。應該根據需要融化的深度來選擇激光功率。塑料激光焊接的速度比較快,一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達20m/min;而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜,最高速度可以達到750m/min。

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