塑料激光焊接頭工藝發(fā)展和應(yīng)用前景
簡(jiǎn)述塑料材料的發(fā)展機(jī)遇，介紹塑料激光焊接頭工作的原理、方法和應(yīng)用。塑料激光焊接頭可以解決大部分塑料制品之間的組裝和固定問(wèn)題，特別對(duì)于精密的電子元件和要求無(wú)菌環(huán)境的食品類、醫(yī)療類產(chǎn)品，激光焊接頭的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。同時(shí)也介紹了一些解決塑料激光焊接頭技術(shù)屏障、改善聚合物激光透射率和吸收率的新材料、新工藝、新方法。本文主要介紹了塑料激光焊接頭焊接工藝發(fā)展和應(yīng)用前景。
塑料作為一種常用材料， 已經(jīng)作為僅次于金屬的第二大材料體系。 塑料不僅可以被制作成各種塑料產(chǎn)品，也慢慢作為金屬以及其他材料的替代料在使用。 所謂塑鋼比，即一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)塑料和鋼材數(shù)量的比值， 塑料的產(chǎn)量也作為衡量國(guó)家發(fā)達(dá)程度中重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。 比如在發(fā)達(dá)國(guó)家中，塑鋼比基本維持在 65：35 左右，我國(guó)僅為 30：70，人均塑料消費(fèi)量與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距。塑料制品的應(yīng)用范圍相比金屬更為廣泛，我國(guó)珠三角、長(zhǎng)三角龐大的塑料產(chǎn)業(yè)鏈和配套的產(chǎn)品鏈為我國(guó)塑料制品行業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。 隨著我國(guó) GDP 以及國(guó)民生活水平的不斷提高，塑料行業(yè)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，并有機(jī)會(huì)不斷突破。
1 、塑料的組成和應(yīng)用
塑料是以單體為原料， 通過(guò)加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物。 通過(guò)工藝調(diào)整，可以自由改變聚合成分及形體樣式。 各種塑料制品就是塑料與填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、色料等添加劑組合而成。
塑料是重要的有機(jī)合成高分子材料，應(yīng)用非常廣泛。 比如農(nóng)業(yè)上的地膜，大棚膜，排灌管道等；電氣和電子工業(yè)上的絕緣材料和封裝材料；機(jī)械工業(yè)上的齒輪、軸瓦等；化學(xué)工業(yè)中的各種容器及其他防腐材料；建筑工業(yè)中的門窗，樓梯 扶手，隔板，水管等；國(guó)防工業(yè)上的武器，重兵器，人造衛(wèi)星等；包裝領(lǐng)域的容器，瓦楞箱，打包帶等。 醫(yī)學(xué)上的醫(yī)學(xué)儀器，醫(yī)用品等。 我們每天也都在與塑料制品打交道，家用電器，家具，塑料袋，保鮮膜，牙刷，廚具，衣服，鞋等，塑料已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的重要材料。
2 、塑料材料的基本特性
塑料的主要成分是樹脂。 樹脂是指尚未和各種添加劑混合的高分子化合物。 塑料的基本性能主要決定于樹脂的本性，但添加劑也起著重要作用。 塑料中樹脂含量一般在 40%以上，100%的樹脂塑料相對(duì)較少，如有機(jī)玻璃、聚苯乙烯等。 同時(shí)，為滿足巨大的塑料市場(chǎng)，除天然樹脂外，合成樹脂儼然成為最為有效的塑料原料獲取方式， 是兼?zhèn)浠虺^(guò)天然樹脂固有特性的一種樹脂。
塑料材料的基本特性：大多數(shù)塑料質(zhì)輕，化學(xué)性穩(wěn)定，抗腐蝕能力強(qiáng)，不與酸、堿反應(yīng)，防水防塵；耐沖擊性好，強(qiáng)度高；具有較好的透明性和耐磨耗性，部分帶光澤；絕緣性好，導(dǎo)熱性低；制造、加工成本低，容易被塑制成不同形狀，成型性、著色性好；大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；尺寸穩(wěn)定性差，容易變形；多數(shù)塑料耐低溫性差，低溫下變脆，容易老化；可以用于制備燃料油和燃料氣，可以降低原油消耗；部分塑料易溶于溶劑。
一般塑料分為熱固性與熱塑性二類。 熱固型塑料的微觀結(jié)構(gòu)為線型交聯(lián)成網(wǎng)狀，強(qiáng)熱則會(huì)分解破壞其分子結(jié)構(gòu)，不具有循環(huán)重復(fù)性， 所以不能用于焊接。 熱塑性塑料加熱后會(huì)熔化，分子結(jié)構(gòu)不改變，可流動(dòng)至模具冷卻后成型。 此類塑料雖然沒(méi)有明顯的熔沸點(diǎn)（塑料為混合物），但冷卻后呈固態(tài)，再加熱后又會(huì)熔化，即為物理變化，遂此類塑料具有可焊接性。
因此不是所有塑料都能用激光焊接焊接。 傳統(tǒng)塑料激光焊接技術(shù)僅針對(duì)熱塑性塑料的焊接。
3、 塑料激光焊接頭工作原理
激光焊接頭技術(shù)顧名思義，即通過(guò)激光頭產(chǎn)生高溫溶解，對(duì)兩件產(chǎn)品進(jìn)行固定的技術(shù)。 塑料激光焊接頭技術(shù)主要用于連接敏感性的塑料制品，例如 PCB 電 路 板、精密塑料零件電子感應(yīng)器、真空塑料制品，以及無(wú)菌醫(yī)療器械等要求密封及潔凈度高的塑料制品。
利用激光焊接頭技術(shù)進(jìn)行塑料零件焊接時(shí)， 首先需要增加適當(dāng)?shù)耐饬蓚€(gè)零件之間需要焊接的區(qū)域夾緊，調(diào)整適合零件材質(zhì)的近紅外線激光的波長(zhǎng)，激光頭先透射過(guò)第一個(gè)零件，被第二個(gè)零件吸收并化為熱能，從而將兩個(gè)零件的接觸表面熔化形成焊接區(qū)，完成焊接。
現(xiàn)階段可通過(guò)涂料技術(shù)簡(jiǎn)化焊接過(guò)程， 即在第一個(gè)零件末端增加可吸收近紅外激光的涂層， 激光透射過(guò)第一個(gè)零件到達(dá)末端后被吸收，融化焊接區(qū)，實(shí)現(xiàn)焊接。此種方式對(duì)第二個(gè)零件的塑料材質(zhì)不做過(guò)多的限制，應(yīng)用范圍更廣。
4、塑料激光焊接頭常用焊接方法
在實(shí)際應(yīng)用中，塑料激光焊接頭有幾種常用的工藝方法：順序型周線焊接：激光頭沿著塑料焊接層的輪廓線移動(dòng)并使其熔化，將塑料逐漸粘結(jié)在一起。主要用于規(guī)則外形且有焊接速度要求的零件。
同步焊接：使用帶有多個(gè)激光頭的激光發(fā)射器，通過(guò)光學(xué)器件調(diào)整激光束的方向和形狀；激光束通過(guò)程序引導(dǎo)，沿著焊接層的輪廓線焊接，使整個(gè)輪廓線同時(shí)熔化并粘結(jié)在一起。主要用于焊接面積較大，且焊接一致性要求較高的零件。
掃描焊接：又稱準(zhǔn)同步焊接，綜合了上述兩種焊接技術(shù)。利用光學(xué)器件產(chǎn)生高速激光頭光束束，沿著待焊接的部位移動(dòng)，使得整個(gè)焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。此方案對(duì)于激光發(fā)射設(shè)備要求較高。
照射掩膜焊接： 通過(guò)預(yù)先制作的模板遮擋無(wú)效區(qū)域的激光束，只暴露出精確的焊接部位，對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行熔化，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程。 這種焊接技術(shù)精度高，是目前應(yīng)用較廣的激光焊接技術(shù)，設(shè)備通用性強(qiáng)，模板制作簡(jiǎn)單、成本低可以實(shí)現(xiàn)低至10μ的高精度焊接。
5、塑料激光焊接頭的優(yōu)勢(shì)
塑料激光焊接頭相比于超聲波焊接以及熱板焊接的優(yōu)勢(shì)包括：焊接速度快，適用于精密器件焊接，可以得到高精度的焊接件；能產(chǎn)生真空密封結(jié)構(gòu)，防水防塵；焊接牢固，能夠制造出超過(guò)原材料強(qiáng)度的焊接縫；焊接過(guò)程中樹脂降解少，熱損壞和熱變形小，無(wú)飛邊，焊縫嚴(yán)密，沒(méi)有殘?jiān)?，非常適用于醫(yī)藥制品及精密電子類產(chǎn)品。激光本身由計(jì)算機(jī)軟件控制，易于調(diào)整，可靈活透射到零件各個(gè)部位。 同時(shí)，激光焊接能夠焊接頭其它焊接方法無(wú)法達(dá)到的區(qū)域，對(duì)于復(fù)雜外形、三維幾何形狀的制品尤為適用。
塑料激光焊接頭是一項(xiàng)無(wú)振動(dòng)焊接頭技術(shù)， 該工藝大幅減少塑料制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力，降低制品本身的老化速度，可應(yīng)用于易損壞的塑料零件。
塑料激光焊接頭可以將不同組成、不同顏色、不同結(jié)構(gòu)以及不同軟化點(diǎn)的塑料零件焊接在一起。 對(duì)于其他焊接方法很難實(shí)現(xiàn)或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)。焊接設(shè)備即為激光發(fā)射裝置，其本身并不需要和被焊接塑料零部件相接觸，設(shè)備自動(dòng)化程度高，方便加工。
6、塑料激光焊接頭應(yīng)用
由于塑料激光焊接頭工藝本身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)， 現(xiàn)階段重點(diǎn)應(yīng)用在精密塑料電子元件領(lǐng)域、無(wú)菌醫(yī)療領(lǐng)域、食品藥品領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域等高科技領(lǐng)域上。
由于激光焊接頭可以靈活透射到精密器件上，在精密塑料電子元件領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，例如手機(jī)零部件（機(jī)殼，耳機(jī)座，USB 座），鼠標(biāo)，連接器，開關(guān)，傳感器等。由于激光焊接頭可制作出密封以及真空的無(wú)菌產(chǎn)品， 在醫(yī)學(xué)器械以及無(wú)菌環(huán)境設(shè)備領(lǐng)域也有著不俗的表現(xiàn)。 例如輸液袋、導(dǎo)管、過(guò)濾器材、軟管接頭、助聽器、支架等。由于激光焊接頭還可以將塑料薄膜焊接在一起， 形成一個(gè)包裝用的封體結(jié)構(gòu)，操作方便快捷。主要應(yīng)用食品藥品包裝以及其他需要無(wú)菌和密封的領(lǐng)域。由于激光焊接頭速度快，同時(shí)適用于大型塑料零件焊接的特點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域塑料零部件的流水線加工上隨處可見。例如自動(dòng)門窗開關(guān)、噴油嘴、變速箱支架、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、液壓油箱、水箱導(dǎo)管，過(guò)濾閥門支架、車燈等。
對(duì)于那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的三維幾何體塑料零件的焊接，也可以使用激光焊接技術(shù)，可以滿足 360°無(wú)死角的焊接工藝特點(diǎn)。
7、塑料激光焊接頭新技術(shù)新工藝
研究表明，如果采用激光焊接頭技術(shù)，必須要求需焊接的兩個(gè)塑料零部件中的一件對(duì)近紅外線激光的透射率在 20%以上，才能獲得良好的焊接效果，即激光產(chǎn)生的能量必須透過(guò)塑料，在焊接區(qū)域被塑料吸收才能完成焊接過(guò)程。 所以絕大多數(shù)的塑料都能夠滿足此透射率要求， 還是有少數(shù)塑料無(wú)法使用此焊接技術(shù)。
相反，透射率低的塑料其吸收率也就偏高。 如果材料透射率低， 其對(duì)近紅外激光的吸收率會(huì)很大， 從而降低焊接熱效率，也會(huì)引起不同程度的熱變形；如果材料透射率低，其對(duì)近紅外激光的吸收率會(huì)很小， 激光能量無(wú)法被有效吸收而導(dǎo)致熱能不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程。
在實(shí)際生產(chǎn)中，一塊為透光性材料，另一塊為不透光性材料的焊接方式最為普遍。 對(duì)于不透光的兩個(gè)材料（透光率小于20%），激光焊接的應(yīng)用還存在一定局限性。 而對(duì)于兩塊透明材料（透光率大于 50%）而言，可通過(guò)在焊接面加入適量的炭黑涂料，大幅提高其對(duì)近紅外激光的吸收率，滿足焊接要求。此外，許多礦物填充的化合物，也不適宜用激光來(lái)焊接。為增加塑料激光焊接工藝的適用范圍， 克服材料本身透光率問(wèn)題，涂層以及涂料工藝在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成熟，并廣泛應(yīng)用在透明材料以及透光率高的材料焊接中。 涂料在激光的照射下發(fā)熱并熔化相鄰層的材料，進(jìn)而達(dá)到焊接的目的。
8、塑料激光焊接頭技術(shù)應(yīng)用前景
目前國(guó)內(nèi)塑料激光焊接頭設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)還處于起步階段，大部分設(shè)備需要依靠進(jìn)口。 同時(shí)，塑料激光焊接頭技術(shù)也是很專業(yè)化的粘結(jié)技術(shù)， 目前主要應(yīng)用的行業(yè)都集中在高科技領(lǐng)域，并處于逐年上升趨勢(shì)。 該技術(shù)已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競(jìng)爭(zhēng)力，成本也在不斷降低。 涂料和填料技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成功解決塑料激光焊接頭早期的技術(shù)瓶頸，同時(shí)新工藝、新設(shè)備的不斷研發(fā)和升級(jí)，為激光焊接頭技術(shù)帶來(lái)更廣闊的應(yīng)用前景。
