塑料激光焊接的工艺 离焦量对焊接质量的影响

发布时间: 2019-09-25


激光的波长

激光焊接工艺(金属材料)中, 一般采用YAG或者CO2激光作为光源,塑料焊接也不例外.
三者之中,由于易于获得较大功率,前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍;而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高,但对可控性和易操作性要求较高,因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地.
CO2:半导体激光三种光源的波长与zui大功率以及zui小聚焦直径等参数典型值如下:
CO2激光:波长较长,为10.6微米,属远红外波段,一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好.目前zui大输出功率达50kW,转化效率约10%,zui小聚焦直径约0.2~0.7mm.焊接塑料时热作用区深度较深,适合于需要焊接较厚的塑料材料.CO2激光不能用光纤传输,只能$&*透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路,从而影响激光头的操作性.
Nd:YAG激光:波长较短,为1.06微米,属近红外区波长,不易被塑料吸收.zui大输出功率6kW,转化效率为3%,zui小聚焦直径0.1~0.5mm.Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小,可以方便地通过光纤传输来构建光路,可将激光头装到机器人手臂上,实现焊接过程的数控和精密自动化;另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料,到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收,从而实现焊接.
半导体激光:波长0.8~1.0微米,zui大输出功率6kW,转化效率30%,zui小聚焦直径0.5mm.由于其输出输出功率较小,适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接.半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化.

塑料材料

能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料.理论上,所有热塑性塑料都能够被激光焊接.
塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为:在热作用区内的材料,要求对激光光波的吸收性好;不属于热作用区部分的材料,则要求对光波的透过性好,尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此.一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的.目前能够使用激光焊接机的单种成分塑料包括:
PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃),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,Nylon 6-尼龙6,Nylon 66-尼龙66,PS-PS树脂,等等.

吸收剂 :

吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺.如前所述,塑料激光焊接设备的本质是将热作用区的待焊接塑料融化,随后冷却自然实现塑料件的接合.让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量.塑料自身能够以较高吸收率吸收激光能量自然zui好,但一般在不添加吸收剂的情况下,塑料对光波的吸收性不是很好,吸收效率很低,融化效率不理想.
通常理想的吸收剂是碳黑,碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收,从而大大提高塑料的热吸收效果,使得热作用区的材料融化更快、效果更好.一些其他颜色的染料也能够起到相同的吸收光波的效果.
添加吸收剂的方法有3种:一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂,这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面,而把没有渗吸收剂的塑料件放在上面,让激光光波通过;二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂,这样只有被渗透了吸收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化;三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂.

离焦量对焊接质量的影响

激光焊接通常需要一定的离焦量,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。实验表明,激光加热50~200us材料开始熔化,形成液相金属并出现部分汽化,形成高压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。

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