聚合物——前景與挑戰(zhàn)

與其他材料相比，聚合物具有若干不可多得的特性和優(yōu)勢。這些包括高強(qiáng)度重量比、機(jī)械柔韌性、耐腐蝕性、生物相容性、電和熱絕緣能力，甚至在某些情況下還具有光學(xué)透明性。在制造方面，聚合物零件通�？梢允褂酶鞣N成型技術(shù)來生產(chǎn)。這些方法使得生產(chǎn)能力高而單位成本低。

所有這些都讓聚合物在包裝、汽車制造、微電子學(xué)和醫(yī)療器械等不同領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。其中許多應(yīng)用情形的共同要求是，在產(chǎn)品組裝過程中連接兩個(gè)及以上的聚合物零件。對于涉及復(fù)雜產(chǎn)品的應(yīng)用，例如醫(yī)療植入物和電子傳感器，這種連接在實(shí)現(xiàn)時(shí)必須具有高機(jī)械精度、盡可能少的顆粒碎片產(chǎn)生量和出色的粘合強(qiáng)度。

對于大批量生產(chǎn)來說，這通常是通過某種形式的焊接來完成，而不是簡單的粘合。這是因?yàn)楹附幼鳂I(yè)通常比粘合劑粘合速度更快、準(zhǔn)確度更高，并且連接更牢固、更可靠。

目前在使用的聚合物焊接方法有許多。這些方法通常涉及通過加熱、摩擦或振動，甚至使用化學(xué)溶劑，選擇性地熔化材料。上述每種技術(shù)都有其優(yōu)勢和用途。

激光聚合物焊接在要求特別苛刻的應(yīng)用中越來越受歡迎，因?yàn)樗�提供了不可多得的�?yōu)勢組合。

這些特性包括：

激光聚合物焊接基礎(chǔ)知識

激光聚合物焊接利用激光作為熱源來熔化材料。根據(jù)所要連接的材料、具體的應(yīng)用要求以及成本或速度等各種生產(chǎn)考慮因素，這可以采用多種不同的方式來實(shí)現(xiàn)。

其中一種十分有效且常用的技術(shù)被稱為“穿透式激光焊接 (TTLW)”。這種方法包括將一個(gè)由透明塑料制成的部件連接到另一個(gè)不透明的部件。在這種情況下，“透明”和“不透明”具體指的是零件是否吸收或傳輸所用激光的波長，而不是視覺上的透明或不透明。

圖1：在 TTLW 中，激光束穿過透明的塑料部件并被其下方的不透明部件吸收。這會加熱底部部件并將其熔化，將兩個(gè)部件焊接在一起。

根據(jù)部件尺寸和形狀、所需的產(chǎn)生速度、預(yù)期的焊接質(zhì)量和特性以及其他因素，可以采用多種不同的方式進(jìn)行 TTLW。這些方法中有用和通用的一種被稱為“準(zhǔn)同步焊接”。 

在準(zhǔn)同步焊接中，兩個(gè)部件要么夾在一起，要么直接接觸，保持透明部件在上面。激光穿過透明部件向下聚焦到不透明部件。不透明聚合物吸收了激光，加熱并熔化。其熱量也熔化了一些透明部件。

激光束快速掃描，以描繪出所需焊縫圖案的軌跡。通常，它會在圖案上掃描多次，并具有同時(shí)熔化整個(gè)焊接路徑的效果（因此得名）。當(dāng)整個(gè)焊接路徑熔化后，激光被關(guān)閉，熔化的材料迅速重新凝固以形成焊接接頭。

圖2：在準(zhǔn)同步焊接中，激光束在整個(gè)焊接路徑上快速掃描，以便一次就將其全部熔化。

準(zhǔn)同步 TTLW 是一種快速、通用的方法，可提供出色的粘合性和較高產(chǎn)出量。它尤其適用于完全位于單個(gè)平面（平面）內(nèi)或高度變化較小的焊縫。

塌筋法

準(zhǔn)同步 TTLW 經(jīng)常使用的一種特殊部件配置被稱為“塌筋”方法。在這種方法中，底部部件有一個(gè)薄的突出筋，與頂部部件相應(yīng)的凹槽相配合，但是凹槽比筋要寬一些。

在焊接過程中，底部筋被激光部分地熔化，而夾具主動將兩個(gè)部件壓在一起。部分底部筋被熔化，這種材料然后流動，填充頂部和底部部件之間的一些間隙。然后這會重新凝固以形成焊接接頭。

圖3：準(zhǔn)同步 TTLW 中“塌筋”方法的主要步驟示意圖。

TTLW 的這一具體實(shí)施例特別有用，因?yàn)榧词共考�不是完全平整的或公差不�?yán)，它也能提供良好的焊接接頭。此外，“塌陷高度”，即在焊接過程中頂部向下移動的量，可以被監(jiān)測和用于閉環(huán)過程控制。這能夠讓大批量生產(chǎn)的結(jié)果高度一致，即使部件與部件之間在尺寸或材料吸收激光能方面存在不同變化。它甚至可以補(bǔ)償激光輸出功率或聚焦激光光斑特性的變化。

成功的步驟

當(dāng)然，將 TTLW 聚合物焊接投入生產(chǎn)有許多微妙之處和考慮因素。那么，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的最佳方式是什么？在開始生產(chǎn)之前，甚至在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期過程中，實(shí)際上需要考慮三個(gè)關(guān)鍵事項(xiàng)。

首先是材料的選擇。必須有一定的溫度范圍，這種方法才能起作用；在該溫度范圍內(nèi)，兩種聚合物（透明和不透明）都保持熔融（但不分解）。這種重疊量越大，工藝窗口就越寬。而且，更寬的工藝窗口能讓生產(chǎn)更容易、更穩(wěn)健。圖4總結(jié)了與激光焊接兼容的常見聚合物組合。

圖4：與 TTLW 相容的材料組合。

接下來要考慮的是“可制造性設(shè)計(jì)”問題。例如，實(shí)施塌筋法要求零件設(shè)計(jì)在適當(dāng)?shù)奈恢靡�有足夠的空間，以便在焊接過程能讓夾具接合，同時(shí)還允許激光束無阻礙地進(jìn)入整個(gè)焊接路徑。

再次，還必須選擇筋和凹槽的尺寸和形狀，以便為焊接過程提供足夠的材料并容納產(chǎn)生的熔體飛邊。同時(shí)還必須對部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便有足夠的塌陷高度。對于高精度應(yīng)用，零件設(shè)計(jì)時(shí)還可能必須考慮定位銷等對齊特性。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)牢固的焊接和良好的焊縫外觀，同時(shí)消除修剪或去除飛邊的后處理需求。

最后，還有圍繞工藝開發(fā)的相關(guān)問題。比如為聚合物材料選擇合適的激光源，確定優(yōu)異的激光作業(yè)參數(shù)，以及必須監(jiān)測或控制哪些工藝變量才能實(shí)現(xiàn)所需的產(chǎn)出。在零件處理、聚合物焊接系統(tǒng)與其他生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械和軟件接口方面，當(dāng)然還有擁有成本方面，也可能存在各種實(shí)際問題。

解決上述這些問題的簡單的方法，是與能夠提供應(yīng)用程序開發(fā)服務(wù)的供應(yīng)商合作。具體來說，這意味著合作的供應(yīng)商能夠運(yùn)行測試，以確定什么樣的系統(tǒng)配置會產(chǎn)生出色的效果，甚至可以幫助確定生產(chǎn)過程的優(yōu)異激光參數(shù)。我們的實(shí)驗(yàn)室提供的正是這種服務(wù)，同時(shí)還生產(chǎn)易于集成到生產(chǎn)環(huán)境中的激光塑料焊接系統(tǒng)。

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