使用近红外激光焊接塑料（塑料红外热焊接）

激光器性能和成本效益的改进使其更广泛地用于焊接热塑性塑料。在商业和消费品中越来越多地使用粘合塑料，有望为该应用提供多年的持续增长。

betway88必威客户端 涉及通过在它们的公共界面局部熔化和融合材料来连接两个部件。与金属一样，热塑性塑料可以被热软化或熔化，但是，焊接金属和热塑性塑料之间存在许多重要区别。金属吸收最常见的激光波长，但它是极好的热导体，在熔化和焊接之前需要非常高的局部温度。相反，许多塑料在这些相同的激光波长下是透明的，并且是众所周知的不良热导体。此外，热塑性塑料在相对较低的温度下会软化或熔化。此外，塑料最好通过达到高度软化状态而不是真正的液态熔体来焊接。

这些差异会影响在塑料中进行激光焊接的方式。大多数塑料焊接应用涉及通过要连接的部件之一传输激光。然后第二部分吸收光，仅在部分之间的界面产生强烈的局部加热和软化。

为了开发“穿透式”焊接应用，有必要了解要连接的塑料的透射/吸收特性。由于成本通常是一个驱动问题，因此大多数塑料焊接是在近红外区域进行的，那里有具有所需功率水平（几瓦到几十瓦）的经济型激光器。材料的近红外 (IR) 吸收特性可以用分光光度计测量，但通常最好只使用激光和功率计。由于吸收并不总是与功率呈线性关系，因此在预期功率水平下测量吸收非常重要。此外，大多数加工车间和工厂现场根本没有分光光度计。

理想情况下，一种材料在激光波长下是完全透明的，而另一种材料将表现出非常高的吸收率。实际上，大多数透明塑料通过一英寸材料的吸收率低于 10%。根据经验，通常可以容忍每英寸厚度高达 20% 的吸收水平。这种吸收量可以产生适度的整体加热，但不会显着影响整个过程。

一旦光线传输到焊接界面，鉴于两个部分必须具有相似的成分才能获得牢固的焊接，我们如何实现高局部吸收？目前最常用的方法是用炭黑填料掺杂第二部分，这会产生非常高的吸收率，而不会显着影响整体强度。

实际问题

在焊接过程中，必须对接头施加压力以将零件固定到位并限制加热的聚合物膨胀。紧密接触还允许热量从吸收材料流入非吸收材料，从而使两者充分软化。通常，40 到 60 psi 之间的夹紧力就足够了，与其他焊接工艺相比，这是相当适中的。通过使用透明材料块（例如玻璃或聚碳酸酯）或使用带有激光束通孔的不透明工具来施加这种夹紧压力。然后通过物理移动部件和/或扫描激光束来创建焊接。

其他实际考虑因素是零件尺寸和焊接速度。对于搭接接头，激光通常穿过薄材料，理论上，零件尺寸没有明确限制。通常使用适度的焦点（800 µm 光斑直径），并通过简单地平移光束或零件来产生扩展的焊接区域。然而，对于对接焊缝，激光必须穿过透明部分的整个宽度。此外，对于对接焊缝，激光必须同时焊接零件的整个边缘厚度。此外，激光束可以轻松穿过几英寸厚的聚碳酸酯，但对于 PTFE、聚乙烯和聚丙烯等其他塑料，透射率通常仅限于几分之一英寸的零件厚度。根据激光功率、焊接宽度和材料厚度，焊接速度可高达每分钟数十米。

尽管机器人和平移台可以焊接更大的零件，但实际上激光焊接最适合最大尺寸为几英寸的零件。此外，较大的零件需要更高功率的激光器才能达到可接受的焊接时间，但这些激光器的成本抵消了激光焊接的一些优势。

通常，激光束通过光纤传送到焊接夹具。在批量生产相同零件的情况下，这提供了扫描光束的替代方案。具体来说，激光通过一束传递，该束的形状可以直接创建预期焊缝的轮廓。圆形、矩形甚至精致的曲线轮廓都可以通过这种方式产生。

图中 显示了使用 30W、810nm 二极管激光系统焊接的两个透明聚碳酸酯型塑料板（涂有 Clearweld 薄膜）。下图显示了使用 50W 多模 Nd:YAG 激光器的输出密封的亚克力名片夹。上面的一块是透明的，另一块是黑色的。

激光焊接的优点

与其他焊接方法甚至粘合剂相比，塑料的激光焊接具有许多优势。首先，热源和零件之间没有物理接触，因此产品干净，没有碎屑或过热材料。激光焊接只会软化塑料，焊接区域完全被连接的两个部件包围。因此，该过程不会产生烟雾，这可能是一个重要的安全优势。相比之下，许多粘合剂在固化过程中会产生有毒烟雾。激光焊接还具有速度、灵活性和可控性的优势——调节到达焊接区域的能量非常简单。

静态小焊缝通常在不到一秒的时间内完成，薄膜的焊接速度高达每秒几十米；因此，激光焊接与任何替代工艺一样快或更快。因为这是一种光学技术，它提供了最大的设计/重新设计灵活性。此外，激光能量可以精确地引导到焊接部位，几乎没有外围热损伤，使这种技术成为精密零件的绝佳选择。

激光焊接还为可以创建的焊接类型提供了灵活性。通过使用紧密聚焦的短焦距光学器件，该过程可以创建宽达 100 µm 的精细焊缝。或者，使用更高功率的激光器，光束可以散焦以产生 10 毫米宽的焊缝。

激光技术/波长的选择

可以激光焊接各种热塑性塑料，包括聚乙烯、丙烯酸树脂和聚碳酸酯。所有这些材料在整个近红外光谱区域都表现出低吸收。这意味着它们可以与 810–950 nm 波长的直接二极管或1064 nm 的Nd:YAG 和 Nd:YVO 4激光器进行同样良好的焊接。在这两种情况下，最好以 CW 模式而不是脉冲模式操作激光器。这是因为焊接速度最终取决于平均功率和总能量，这两者在 CW 操作中都更高。

根据经验，1064 nm 的二极管泵浦固态激光器比直接二极管激光器提供更高的光束质量。因此，它们是使用振镜直接扫描光束的“精密”应用的最佳选择。在这里，光束可以以高达 6 m/sec 的速度进行扫描。这比塑料的热保持时间更快，因此允许同时产生成型焊缝——塑料经历激光束运动的时间平均值。

直接二极管系统的每瓦成本低于二极管泵浦系统。此外，这些激光器通常采用非常小的封装，这对于集成来说是一个优势。然而，直接二极管激光器从多模光纤输出提供相对较差的光束质量。然后可以使用重新准直和聚焦光学器件将其重新成像到焊接区域中。使用 25mm 焦距镜头，这会产生直径约 600 µm 的典型光斑尺寸。或者，可以将光纤耦合成如前所述的成形束。

概括

总之，使用betway88必威客户端 有许多优点。随着固态红外激光器的每瓦成本不断提高，随着需求和用户意识的提高，我们预计这将成为一个重要的应用。