塑料加工最新技術--激光加工

    從40多年前世界上誕生了第1臺激光器，其激光技術與應用發展迅猛，并與許多學科交叉結合形成多個應用技術領域，如信息光電子技術、激光醫療與光子生物學、激光加工技術、激光檢測與計量技術、激光全息技術、激光光譜分析技術、激光化學、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。激光具有單色性好、能量密度高、空間和時間控制性好等多種優點，目前已廣泛應用于各種制造加工領域。隨著塑料在航天航空、電子、化工、汽車制造、包裝、醫療設備等行業的廣泛使用和激光應用技術的擴展，激光加工技術也開始逐漸進入塑料的二次加工領域。
    塑料的激光加工技術是利用激光束與有機高分子物質相互作用的特性對塑料進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門新興加工技術。激光加工技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術。激光加工為非接觸式加工，速度快、無噪聲，可實現各種復雜形狀的高精度加工目的，且無通常意義上的“刀具”磨損，無需更換“刀頭”。激光和計算機控制技術相結合可使激光加工技術在工業生產實現全自動化，其具有普通加工技術不可比擬的優勢。
1 塑料的激光焊接技術
1.1 塑料激光焊接的應用和特點
    目前國內使用的塑料焊接技術主要有熱熔焊接、高頻焊接、振動摩擦焊接及超聲波焊接等。塑料的激光焊接技術在歐美發達國家已經得到了一定程度的應用。我國這方面的技術尚在起步階段。
    塑料的激光焊接技術主要用于普通焊接技術難以適應的塑料制品(如高密度線路板)、形狀復雜的塑料件以及有嚴格潔凈要求的塑料制品(如醫藥設備、電子傳感器等)等。激光便于計算機控制，采用光纖激光器輸出激光束可使激光靈活地達到零件各個微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達到的區域。傳統焊接技術無法焊接的異型塑料也有機會加以良好焊接，如用激光可將能透過近紅外激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二醇酮(PBT)焊接在一起，而其他的焊接方法根本不可能將2種在結構、軟化點和增強材料等方面如此不同的聚合物連接起來。
    在高檔轎車的保險杠上也應用了激光焊接技術，其優點是輸入的熱量較低、外觀好，并可達到很高的焊接強度。保險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)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。以前采用超聲波焊接將停車距離傳感器的適配器焊接到已經上好漆的保險杠上，然而在強度和外觀損傷之間難以達到兩全齊美。采用激光透射焊接工藝焊接保險杠的傳感器適配器，生產的熔化物很少，因此沒有熔化物溢出。在具有良好強度的同時，外觀優美非常接近站接的部件口不過激光焊接的投資費用目前還較高，只有在要求較高的時候使用才算合理。保險杠的結構設計的未來趨勢是材料的壁厚越來越小，這特別適于采用激光技術。除了對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。由于單位焊接強度一般高達60MPa，并且安裝空間將更狹窄，因此為激光焊接的應用創造了很好的機會。
塑料的激光焊接技術與傳統的塑料焊接技術相比，主要有以下幾方面的特點:
(1)易于控制和實現生產自動化，具有良好的適應性;
(2)可進行精密、牢固的焊接，焊接密封性好;
(3)焊接件的熱歷程極短、焊接應力小，焊接時樹脂降解少、幾乎不產生碎屑;
(4)可焊接尺寸極小或外形結構復雜的零件，對有些復雜零件甚至可以進行“穿透焊接”;
(5)能夠將許多種類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，激光穿過一個制品，然后被另外一個制品吸收，吸收激光能量的制品將光能轉化為熱能，在塑料的接觸面熔化，形成一個焊接區。
    塑料的激光焊接是與對材料要求的提高相關聯的，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的吸收性能。重要的是，在2個焊接件之間要避免產生裂縫。在激光焊接過程中，吸收性的零件升溫并且局部熔化，通過熱傳導將能量傳遞到透光的零件。在外部的壓力下2個零件結合在一起。激光焊接工藝之所以具有吸引力，是因為只有很少的熱量輸入結構件，因此只會產生可控的最小熔化量。其結果是可獲得很高的焊接強度，并且由于熔化物溢出或氣化很少而獲得無可挑剔的外觀質量。在很小的焊接面積上就可以獲得很高的強度，這一點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，達到焊接的目的;
(2) 通過光學元件將激光束整形，同時在焊縫處產生熱量;
(3) 照射掩膜焊接，激光束僅加熱制品上沒有被掩膜遮住的部分，可以快速焊接復雜的焊縫;
(4) 激光束固定，塑料工件置于受程序控制的多維可移動的工作臺上。
1.3 塑料材料對激光焊接的適應性
    應用激光焊接塑料材料必須對激光有吸收，否則就不能完成塑料的激光焊接。絕大多數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。
    對于吸收率低的熱塑性塑料，一是選擇激光的種類;二是通過添加激光增敏劑(如炭黑等)，可以大大提高塑料對近紅外激光的吸收率。通過對各種塑料材料對激光反射率和透過率的研究，可以解決激光焊接塑料的材料等問題。