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激光焊接正成为塑料焊接新趋势,适合该工艺的塑料应该长成啥样?

来源:艾邦高分子

  发布:cici

关键词:塑料激光焊接 激光焊接工艺

2018-01-08

 如今,消费者对尾灯外观设计和整体造型的审美要求越来越高,要打造有漂亮外观的尾灯,对制造过程中的焊接环节提出了挑战。

 

首先,我们需要弄清楚有哪些焊接方式?

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车灯焊接界的潜力股——塑料激光焊接

 

热板焊接是塑料焊接技术中发展较早、工艺最为简单的一种焊接技术。随着技术的发展,目前,在车灯制造中使用最多的焊接方式是振动摩擦焊接和超声波焊接。除此之外还有受到越来越多关注的激光焊接技术。

 

从表1中几种焊接技术的对比不难看出,塑料激光焊接有着焊缝美观、焊接灵活、强度高等特点,已然成为车灯焊接技术中的“潜力股”。

 


表1 不同焊接工艺对比

 

激光焊接工艺已经应用在部分车型尾灯中,比如HYUNDAI的顶级旗舰车型GENESIS和Equus。

GENESIS

 

GENESI


随着激光技术的发展,设备成本的下降,激光焊接正在成为车灯焊接的主流工艺。

 

那么,塑料对激光焊接的适应性如何呢?

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有些塑料不改造并不适合激光焊接

 

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收,才能达到良好焊接效果(如图1所示)。

 


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,而下层吸收层则要保证吸收近红外光。那么,塑料本身的光学性能是怎样的呢?

 

从聚合物形态来说,非晶型聚合物仅吸收少量的入射光,可以获得很高的穿透深度。

 


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,对激光的吸收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。

 


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,原理上无法作为吸收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。

 

在上述要求下,适合该工艺的塑料到底长成啥样?

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“色粉”和“添加剂”帮助实现塑料激光焊接

 

在上文的叙述中,我们主要介绍了未加添加剂和色粉的聚合物其光学性能的表现,接下来,我们以激光焊接时必要的透过层与吸收层为例,说明”色粉“和”添加剂“在面对越来越复杂的焊接工艺时,能为我们提供哪些帮助。

 

透过层

根据上文所述,聚合物在近红外区具有较高的透过率,因此在选择上灵活性较大。在车灯上,作为透过层的配光镜常选择可见光区透光率也比较高的PC或PMMA。

 

当涉及其他颜色需求时,色粉和添加剂的选择是十分重要的。比如黑色-黑色产品进行焊接,一般来说,炭黑是最常用的黑色产品着色剂,同时也是良好的近红外光吸收剂,如果透过层也使用炭黑配色,则激光在透过层即被吸收,无法达到两层界面处进行焊接。这时,应该选择其他色粉或添加剂,使其肉眼看起来是黑色的,但对近红外激光是透过的。

 

吸收层

对于吸收层,聚合物需要具备吸收近红外辐射并转化为热能的特性,因此,需要选择合适的色粉以及添加剂提高聚合物在近红外区的吸收能力。虽然炭黑是良好的近红外光吸收剂,但对塑料的颜色影响很大,并不适用于白色或浅色产品。

 

对于白色产品,我们通常选用钛白粉作着色剂,但需要注意的是,钛白粉加入后材料反射率提高,透过率下降,同样不适用于上层透过层。

 

如图4所示,Val Kagan[1]等人研究了不同色粉染色的PA树脂光谱图,结果表明选择不同的色粉会赋予聚合物近红外区不同的光学性质。另外,通过选择特殊的添加剂,也可以对聚合物的光学性质进行调控,获得近红外区高吸收率的特性。

 

汽车尾灯壳体常选用PC/ABS材料,通常涉及黑、灰、红三种配色,黑色与灰色PC/ABS材料配色中添加炭黑,通常可进行激光焊接工艺。

 

另外,针对红色PC/ABS材料,许多使用该材料的用户常常反应通常焊接不良。针对这一问题,通过选择合适的色粉及添加剂,提高PC/ABS材料的吸收率,可以适应更宽的激光焊接工艺窗口,提供更高的焊接质量。

 

以锦湖日丽的高近红外吸收率的PC/ABS HAC8260-LW为例,对比普通红色PC/ABS(如图5所示)。

 

激光焊接的可行性与材料自身的光学性质关系密切。在实现激光焊接工艺,获得优质产品时,我们还需要注意哪些问题呢?

 

从材料角度,我们还需要注意的是:

 

①激光焊接同样受到两种聚合物相容性及熔融温度差异的影响,两者相容性越好或熔融温度越接近,越容易进行激光焊接工艺,并获得更高质量的焊接强度。如图6所示,PC/ABS与PMMA或PC、PC与PBT、ABS与PBT都可以很好地进行焊接。

 

②当吸收层聚合物将激光能量转化为热能发生熔融时,体积会发生膨胀,因此有必要在上下两层件通过夹具施加一定的夹持力以避免焊接界面因膨胀变形。不仅如此,夹持力同时确保热能在两层间更好地进行传导,保证两种聚合物能够同时熔融从而获得更高的焊接强度。

 

另外,在激光焊接工艺的选择上,激光器功率过高或焊接时间过长容易造成材料熔融过度导致降解,为达到理想的焊接质量应该选择合适的激光功率、扫描速度及焊接时间。

 

与传统塑料焊接工艺不同,激光焊接利用激光辐射能量对两种聚合物进行焊接,不仅在聚合物选择上具有广泛的适用性,更具备焊缝美观、焊接灵活、焊接强度高的特点。

 

同时,塑料激光焊接针对材料特性提出了特殊要求——激光的选择性吸收与透过。为获得满意的制件,不仅需要对焊接工艺参数进行调整,合适材料的选择至关重要!


参考文献:

[1] Kagan V, Bray R, Chambers A. Forward to Better Understanding of Optical Characterization and Development of Colored Polyamides for the Infra-Red/Laser Welding: Part I-Efficiency of Polyamides for Infra-Red Welding[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2003, 22: 533-547.