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满足塑料激光焊接机的材料需改进

2019-06-25

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种焊接方法,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,使工件熔化,形成特定的熔池。因此,激光光束的能量必须被塑料吸取,才能达到良好焊接效果(如图1所示)。


塑料激光焊接机

图1 激光焊接工艺示意图


所以,塑料在近红外区必须具备特殊光学性能才适用于激光焊接工艺,上层透过层需要保证透过近红外激光,而下层吸取层则要保证吸取近红外光。那么,塑料本身的光学性能是怎样的呢?


从聚合物形态来说,非晶型聚合物仅吸取少量的入射光,可以获得很高的穿透深度。


透明塑料激光焊接机

图2 四种聚合物(未含添加剂)光谱图


如图2所示,四种非晶型聚合物在可见光区和近红外区均表现出很高的透过率。由于结晶区的存在,结晶型聚合物的光学性能差异较大,激光在球晶区界面处发生折射或反射,穿透材料的行程更长,对激光的吸取率高于非晶型聚合物。


对于填充型聚合物材料来说,光学性能受到填充材料的影响较大。以玻纤为例,Val Kagan研究了不同玻纤含量的PA6增强树脂的透过率(图3),发现随着玻纤含量的增加,材料的透过率是线性下降的。


激光塑料焊接机

图3 玻纤含量对PA6透光率和光路长度的影响(leff:有效光路长度,0%玻纤作归一化处理)


综合而言,大部分聚合物(未添加其他物质)在近红外区或多或少透过率都比较高,原理上无法作为吸取层应用于激光焊接工艺。那塑料激光焊接工艺是如何实现的呢?特别是随着设计美观度的要求越来越高,激光焊接工艺对所焊接材料的要求也越来越复杂,除了常见的透明-黑色产品焊接,甚至会有黑色-黑色产品、透明-透明产品、白色-白色产品等其他需求。

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