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塑料的激光加工
Brian. G. Bryden

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在汽车工业中，塑料的使用日益增加。同样的，材料和元部件的整合意味着塑料的焊接方法日渐成为一项关键的技术。已有的技术如超声波焊接，热板焊，以及粘合技术各有所长，但是这些技术存在不少局限性，如在加工过程，可焊接材料方面有限制，费用昂贵，或是需要使用专门工具。然而，针对这些技术的限制，出现了一种新型技术。高功率二极管激光器的商业化和传输焊接技术的发展从根本上改善塑料焊接的能力，它已发展到有可能促使激光焊接成为塑料加工的关键加工技术。高功率二极管激光器高功率二极管激光器是基于固态技术而发展起来的，因此，它们可靠性好，典型的最少设计使用寿命在10,000工作时左右。它们也对已有的激光器类型带来了进一步的显著改善，在结构紧凑性，光束尺寸，电光效率以及资本和运行费用方面。例如，250W的激光头装置尺寸仅260×125 x 125mm，重5 kg。辅助设备仅有一个小的控制面板和一个冷却装置。组合控制系统与冷却装置的系统也可用。激光头紧凑的结构使它可以被直接安装到机械手上，从而具有多轴加工能力。如果需要的话，光束也可以通过光缆来传输。二极管激光器的电光效率大于30%，相比于CO2和Nd:YAG激光器，各自的效率值分别为10%和4%。目前现有的高功率二极管激光器输出功率大于6KW，这样的强度足以满足熔覆，焊接，以及金属的表面热处理。然而，在汽车工业方面，激光焊接初始应用是在连接聚合物方面。虽然热塑性塑料易于吸收远红外波段的辐射能，但是对于二极管激光器产生的近红外光却是透光的。大部分能量不被聚合物吸收。然而，可以通过有选择的加入添加剂如色素，填充剂，强化剂等来使塑料吸收激光能量。传输焊接传输焊接技术利用了聚合物和添加剂的不同吸收和传输特性，采用了具有某种重叠的形态来实现焊接。通过仔细的选择材料和添加剂，使得接点的上半部分可以透射激光而下半部分则被设计成可以吸收足够的激光能量，这样使得界面熔融，从而实现焊接目的。在这方面的应用中，碳是很理想的添加剂，因为它易于吸收二极管激光器的能量。激光传输焊接与现有的塑料焊接技术相比具有许多的优势。与振动/超声焊接不同，激光传输焊接是非接触加工，这样比较不容易对敏感元件，比如含有电子线路的元件，造成损坏。此外，它几乎不需要什么专门工具，而大部分振动/超声，热板焊接系统都需要许多专门的工具来对元件进行加工。在激光加工过程中的关键因素包括：选择加入聚合物的添加剂，（即色素、增强剂、加工辅助剂），接缝设计，加工通路设计等。英国Warwick Laser Systems公司（考文垂市）已研制出了一种塑料的激光传输焊接装置并且实现了商品化。对一系列热塑性塑料的适用性评估已经确定了许多材料的焊接条件，这些材料包括了彩色材料，聚丙烯，聚乙烯，丙烯酸树脂，聚碳酸酯，玻璃填料和薄膜材料。作为非接触技术，激光焊接避免了与其他传统技术有关的工具污染和产品放置的问题。从二极管激光器系统射出的光束是高度可控的，而且输出稳定且可预先设定，并允许进行连续焊接。激光器功率高，光束宽，因此可以进行大面积的焊接，事实上对于元件尺寸和结构没有任何限制。而如果需要的话，光束的高度可控性和光束传输的准确性也能够确保十分精密的焊接操作。汽车应用在食品包装，医疗设备，和科研设备等领域中都已很好的利用了激光传输焊接技术，而汽车工业仍是这项技术最主要的采用领域。最近，英国Birkby's Plastics公司（西约克郡，利弗西奇）利用激光传输焊接技术来制造一种新型电控节气门（ETC）踏板用于机动车辆。踏板如图1，它被制成玻璃填充尼龙模具，在汽车工业的用途很广。（图片）图1：电控节气门踏板新的ETC踏板特点是使用整合而非栓接的传感器，这使得它与其他踏板相比，具有集成，经济，且不易损坏特性。当驾驶员踩踏板时，需求信号被传送到引擎控制系统，将它与点火图相比，可使燃料更精确地加到引擎中，保持高的燃烧效率，从而达到经济，性能的优化，和废气排放少的目的。要将传感器整合在踏板里最重要的是将“电位计”精确焊接在正确位置。由于电位计需要被准确的放置并且调零，所以若使用振动焊接技术在两个不同的塑料元件之间进行焊接是不现实的。此外，因为使用的电位计和踏板用了两种不同级别的玻璃填充尼龙，它们的熔点不同，所以也无法使用热技术或者超声焊接技术来连接这两个元件。 Warwick Laser Systems公司的开发中心在成功的进行多次实验后，将二极管激光传输焊接系统直接合并到Birkby公司特意建立的自动组装，焊接和测试生产线，来焊接电控节气门踏板组件中的两个玻璃填充尼龙元件（图2）。该系统产生3mm宽的接缝并将电位计密封在踏板里。（图片）图2：ETC激光焊接单元在这种情况下，激光器被安装在德国Kuka的机械手上，无需任何专门工具。对该部件采用机械手操作的好处在于实现系统的灵活性。由于要求焊接在元件的两边进行，在这种情况下，机械手是最高效的选择。有重复的元件的话就需要使用夹具，并且对程序进行改动。机械手的程序可被存储起来，从而减少了停工时间。激光器的输出功率可以利用功率计定期监视。由于机械手的工作区域很大，因此可以将功率计安装于任何方便的地方。用一个简单的程序便可以在生产了若干个数的零件后进行一次测量。在这个工作单元内建立材料测试平台的计划正在进行中，该平台可以安置在工作区外90° 到 180°之间的任何区域。优势在于，激光器，机械手以及安全费用都已经核算过了。这样，只需考虑固定夹具和机械手程序了。这项技术的另一个应用例子是为英国Pall Automotive Division公司（朴次茅斯）焊接永久密封的燃料过滤器外壳。该外壳使用的材料是乙酰树脂，壁厚2mm。事实上，外壳是圆环筒形的，因此它需要从外边缘和内边缘进行对接焊接（图3）。在焊接以前，壳内的过滤介质被压缩在箱体中，由于阻尼效应，无法使用振动焊接技术。外壳最小的爆裂压强是12巴，安全工作压强是6巴。（图片）图3：过滤器焊接位置的截面示意图虽然已经成功的通过了汽车工业测试规范，但是过滤器的爆裂压强被认为是焊接强度的决定性测试，因为这是焊缝最终损坏的模式。使用一个手动的液压缸用来给过滤器加压，压力传感器用来测压强。过滤器被装满了油，而且被密封。不停的给液压缸加压直到过滤器的工作压强12巴。保持这个压强几秒钟，有任何压强的下降则可能表明产生裂缝。然后继续加压直至过滤器最终破裂。破裂压强的标准值>30巴。图4给出了破裂后的情形。注意到材料是在与焊缝成~60°的地方发生破裂，而不是沿着焊缝。（图片）图4：过滤器在34巴压强下爆裂后的情况在Pall的生产机器中包括有两个固定平台，各自都有一台250W的二极管激光器，用来进行从内和从外的焊接，每个平台都有用于取放的机械手来安装和传送过滤器，此外还有一个在线压力测量站。整个装置如图5所示。（图片）图5：过滤器激光焊接装置结论作为用来胶合和焊接塑料的手段，高功率二极管激光传输焊接技术正迅速变成传统技术的可行的替代方案。它的优势十分符合汽车工业的需要，在某些胶合应用上，这种技术经常是唯一的选择。 4/25/2005


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