熱塑性塑料的激光焊接實驗研究

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1、熱塑性塑料的激光焊接實驗研究本文由想當個好孩子貢獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機查看。第3卷第1期光學與光電技術(shù)OPTICS&OPTOELECTRONICTECHNOLOGYVol.3,No.1February,20052005年2月文章編號1672-3392(2005)01-0018-04熱塑性塑料的激光焊接實驗研究袁暉1賴建軍2何云貴1(1華中科技大學激光技術(shù)與工程研究院,武漢430074;2華中科技大學光電子工程系,武漢430074)摘要建立了半導體激光焊接系統(tǒng),在

2、此系統(tǒng)上進行了熱塑性塑料的激光焊接實驗,研究了不同顏料有機玻璃材料組合的激光焊接可行性,進行了有機玻璃的激光焊接實驗,并對焊接樣品的焊接強度進行了測試。關(guān)鍵詞塑料;激光;焊接文獻標識碼A中圖分類號TG456.71引言傳統(tǒng)的塑料焊接技術(shù)有超聲波焊接、振動焊接、熱平板焊接等,在工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用。近來隨著激光技術(shù)的發(fā)展,采用激光加熱源實現(xiàn)塑料焊接的技術(shù)在國外得到了重視,已有部分焊接設(shè)備投放市場。激光焊接的優(yōu)點是能生成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊縫,而且樹脂降解少,產(chǎn)生的碎屑少,由于激光的非接觸特性,不會產(chǎn)生污

3、染。另一個優(yōu)點是激光焊接比采用其它連接方式所產(chǎn)生的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力小,意味著制品或者裝置的內(nèi)部組件的老化速度更慢,因此更適合應(yīng)用于易損壞的制品如電子傳感器或微機電系統(tǒng)(MEMS)[3]。由于成本和材料方面的原因,塑料的激光焊接尚未全面推廣,在國內(nèi),這方面的研究基本上是空白,塑料的激光加工應(yīng)用僅限于切割和標記。本文利用半導體激光作為激光局部加熱源,研究透射焊接方式實現(xiàn)有機玻璃(PMMA)材料的焊接工藝。同時,利用一種透明吸收材料,實現(xiàn)了兩種透明材料之間的焊接,進行了三層塑料基底材料的堆疊焊接實驗,為實現(xiàn)塑料部件的堆疊焊接

4、提供了一條途徑。[2][1]一起的熱塑性塑料,一種對激光透明,另一種在激光波長處具有較高的吸收率。當激光透過透明的塑料加熱具有一定吸收率的另一塑料時,產(chǎn)生的熱量促使緊密接觸的兩塑料熔化,由于材料的擴散最終在界面形成瞬時滲透焊縫。這是一種高速、非接觸焊接熱塑性塑料的方法。焊接過程所需的能量施加于接頭區(qū)域內(nèi)很薄的一層。大多數(shù)本征塑料能讓半導體激光(近紅外波段)透過,與之配合的另一塑料,通過添加選擇性吸收激光的色素可以轉(zhuǎn)化為能夠吸收激光束的塑料。利用透射激光焊接方式,Kagan等人對以尼龍為主的塑料的激光焊接進行了詳盡研究[

5、4]。forcelaserbeamforce↓↓pressureplatefusedzoneHAZplasticsAplasticsBbase圖1透射激光焊接原理圖Fig.1Principlediagramoftransmissionlaserwelding2透射激光焊接原理和裝置透射激光焊接的原理如圖1所示。兩種緊貼在基于透射激光焊接原理的半導體激光焊接系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)主要由激光光源系統(tǒng)、激光光束變換系統(tǒng)、工件夾持和對準平臺、CCD顯微收稿日期2004-11-04;修改稿日期2004-12-24作者簡介袁暉(

6、1979-),男,博士研究生,主要研究方向是激光與物質(zhì)相互作用。E-mail:jjlai@mail.hust.edu.cn第1期袁暉等:熱塑性塑料的激光焊接實驗研究19成像系統(tǒng)、電控位移臺以及微機主控系統(tǒng)等組成。間的焊接,對于焊接的樣品進行了焊接強度的測試。3.1材料光學性能對焊接的影響為了檢查不同顏色有機玻璃的可焊接特性,利用傅里葉紅外光譜儀分別測試了藍色、紅色、白色和無色有機玻璃的透過率曲線(如圖3所示)同時,考察它們對激光的吸收特性。從圖3可以看出,紅色有機玻璃在激光波長處的透過率與透明有機玻璃相當,而白色與藍色

7、有機玻璃的透過率很低,黑色有機玻璃則完全不透明。顯然,紅色有機玻璃直接和透明無色的有機玻璃難以直接焊接,而白色和藍色有機玻璃則由于透過率都低,也不能直接焊接。圖2半導體激光鍵合實驗裝置Fig.2Experimentalsystemofdiodelaserbondingofthermoplastics摻入不同顏料導致的焊接性能的差異可能來源于兩個效應(yīng):顏料的吸收增強和微粒的散射[5]。但是顏料的本征吸收對激光的透過率的影響較小,主要的吸收因素是微粒的散射。微粒的散射導致擴散反射,也可能引起激光能量密度的降低,從而需要更高

8、的激光功率才能實現(xiàn)焊接。在所有顏色的材料中,黑色有機玻璃在可見光和激光波長處的透過率近似為零,且吸收高,因而最易于激光焊接。1009080706050403020100從激光器光源系統(tǒng)發(fā)出的激光經(jīng)過光束變換部件形成激光聚焦點光束,然后作用于對準平臺上的塑料芯片上。對準平臺固定于多軸電控位移臺上,提供待焊接工件的固定、對準和接觸功能

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