塑料加工最新技術(shù)--激光加工

    從40多年前世界上誕生了第1臺(tái)激光器，其激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，并與許多學(xué)科交叉結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，如信息光電子技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工技術(shù)、激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)、激光全息技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)、激光化學(xué)、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。激光具有單色性好、能量密度高、空間和時(shí)間控制性好等多種優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各種制造加工領(lǐng)域。隨著塑料在航天航空、電子、化工、汽車(chē)制造、包裝、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)的廣泛使用和激光應(yīng)用技術(shù)的擴(kuò)展，激光加工技術(shù)也開(kāi)始逐漸進(jìn)入塑料的二次加工領(lǐng)域。
    塑料的激光加工技術(shù)是利用激光束與有機(jī)高分子物質(zhì)相互作用的特性對(duì)塑料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門(mén)新興加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科的一門(mén)綜合技術(shù)。激光加工為非接觸式加工，速度快、無(wú)噪聲，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形狀的高精度加工目的，且無(wú)通常意義上的“刀具”磨損，無(wú)需更換“刀頭”。激光和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合可使激光加工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，其具有普通加工技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
1 塑料的激光焊接技術(shù)
1.1 塑料激光焊接的應(yīng)用和特點(diǎn)
    目前國(guó)內(nèi)使用的塑料焊接技術(shù)主要有熱熔焊接、高頻焊接、振動(dòng)摩擦焊接及超聲波焊接等。塑料的激光焊接技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用。我國(guó)這方面的技術(shù)尚在起步階段。
    塑料的激光焊接技術(shù)主要用于普通焊接技術(shù)難以適應(yīng)的塑料制品(如高密度線路板)、形狀復(fù)雜的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品(如醫(yī)藥設(shè)備、電子傳感器等)等。激光便于計(jì)算機(jī)控制，采用光纖激光器輸出激光束可使激光靈活地達(dá)到零件各個(gè)微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域。傳統(tǒng)焊接技術(shù)無(wú)法焊接的異型塑料也有機(jī)會(huì)加以良好焊接，如用激光可將能透過(guò)近紅外激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纖增強(qiáng)的黑色聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酮(PBT)焊接在一起，而其他的焊接方法根本不可能將2種在結(jié)構(gòu)、軟化點(diǎn)和增強(qiáng)材料等方面如此不同的聚合物連接起來(lái)。
    在高檔轎車(chē)的保險(xiǎn)杠上也應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是輸入的熱量較低、外觀好，并可達(dá)到很高的焊接強(qiáng)度。保險(xiǎn)杠材料大都采用聚丙烯(PP)、乙烯丙烯共聚物(EPDM)和10%滑石粉共混物以及聚碳酸酯(PC)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。以前采用超聲波焊接將停車(chē)距離傳感器的適配器焊接到已經(jīng)上好漆的保險(xiǎn)杠上，然而在強(qiáng)度和外觀損傷之間難以達(dá)到兩全齊美。采用激光透射焊接工藝焊接保險(xiǎn)杠的傳感器適配器，生產(chǎn)的熔化物很少，因此沒(méi)有熔化物溢出。在具有良好強(qiáng)度的同時(shí)，外觀優(yōu)美非常接近站接的部件口不過(guò)激光焊接的投資費(fèi)用目前還較高，只有在要求較高的時(shí)候使用才算合理。保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的未來(lái)趨勢(shì)是材料的壁厚越來(lái)越小，這特別適于采用激光技術(shù)。除了對(duì)材料和加工的新要求之外，采用激光工藝使焊縫的形狀和位置有了更大的自由度。由于單位焊接強(qiáng)度一般高達(dá)60MPa，并且安裝空間將更狹窄，因此為激光焊接的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的機(jī)會(huì)。
塑料的激光焊接技術(shù)與傳統(tǒng)的塑料焊接技術(shù)相比，主要有以下幾方面的特點(diǎn):
(1)易于控制和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，具有良好的適應(yīng)性;
(2)可進(jìn)行精密、牢固的焊接，焊接密封性好;
(3)焊接件的熱歷程極短、焊接應(yīng)力小，焊接時(shí)樹(shù)脂降解少、幾乎不產(chǎn)生碎屑;
(4)可焊接尺寸極小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，對(duì)有些復(fù)雜零件甚至可以進(jìn)行“穿透焊接”;
(5)能夠?qū)⒃S多種類(lèi)不同的材料焊接在一起。
1.2 塑料激光焊接的原理和方法
1.2.1 激光焊接塑料的基本原理
    2種塑料在低壓力下被夾緊在一起，激光穿過(guò)一個(gè)制品，然后被另外一個(gè)制品吸收，吸收激光能量的制品將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在塑料的接觸面熔化，形成一個(gè)焊接區(qū)。
    塑料的激光焊接是與對(duì)材料要求的提高相關(guān)聯(lián)的，這些新的要求通常很難完成。所謂的激光透射焊接一方面要求激光輻射能穿透零件，另一方面要求零件有很強(qiáng)的吸收性能。重要的是，在2個(gè)焊接件之間要避免產(chǎn)生裂縫。在激光焊接過(guò)程中，吸收性的零件升溫并且局部熔化，通過(guò)熱傳導(dǎo)將能量傳遞到透光的零件。在外部的壓力下2個(gè)零件結(jié)合在一起。激光焊接工藝之所以具有吸引力，是因?yàn)橹挥泻苌俚臒崃枯斎虢Y(jié)構(gòu)件，因此只會(huì)產(chǎn)生可控的最小熔化量。其結(jié)果是可獲得很高的焊接強(qiáng)度，并且由于熔化物溢出或氣化很少而獲得無(wú)可挑剔的外觀質(zhì)量。在很小的焊接面積上就可以獲得很高的強(qiáng)度，這一點(diǎn)使得這種工藝方法在操作空間受到限制的條件下比站接工藝更優(yōu)越。
1.2.2 常用的激光焊接方法
(1) 激光束沿著焊縫處快速掃描，達(dá)到焊接的目的;
(2) 通過(guò)光學(xué)元件將激光束整形，同時(shí)在焊縫處產(chǎn)生熱量;
(3) 照射掩膜焊接，激光束僅加熱制品上沒(méi)有被掩膜遮住的部分，可以快速焊接復(fù)雜的焊縫;
(4) 激光束固定，塑料工件置于受程序控制的多維可移動(dòng)的工作臺(tái)上。
1.3 塑料材料對(duì)激光焊接的適應(yīng)性
    應(yīng)用激光焊接塑料材料必須對(duì)激光有吸收，否則就不能完成塑料的激光焊接。絕大多數(shù)本色的塑料和許多有色的半透明塑料都能采用激光焊接，例如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)等材料。
    對(duì)于吸收率低的熱塑性塑料，一是選擇激光的種類(lèi);二是通過(guò)添加激光增敏劑(如炭黑等)，可以大大提高塑料對(duì)近紅外激光的吸收率。通過(guò)對(duì)各種塑料材料對(duì)激光反射率和透過(guò)率的研究，可以解決激光焊接塑料的材料等問(wèn)題。