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。這些包括高強度重量比、機械柔韌性、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透明性。在制造方面，聚合物零件通�？梢允褂酶鞣N成型技術來生產。這些方法使得生產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、微電子學和醫(yī)療器械等不同領域得到更多應用。其中許多應用情形的共同要求是，在產品組裝過程中連接兩個及以上的聚合物零件。對于涉及復雜產品的應用，例如醫(yī)療植入物和電子傳感器，這種連接在實現(xiàn)時必須具有高機械精度、盡可能少的顆粒碎片產生量和出色的粘合強度。

對于大批量生產來說，這通常是通過某種形式的焊接來完成，而不是簡單的粘合。這是因為焊接作業(yè)通常比粘合劑粘合速度更快、準確度更高，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，甚至使用化學溶劑，選擇性地熔化材料。上述每種技術都有其優(yōu)勢和用途。

激光聚合物焊接在要求特別苛刻的應用中越來越受歡迎，因為它提供了不可多得的優(yōu)勢組合。

這些特性包括：

激光聚合物焊接基礎知識

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

其中一種十分有效且常用的技術被稱為“穿透式激光焊接 (TTLW)”。這種方法包括將一個由透明塑料制成的部件連接到另一個不透明的部件。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，將兩個部件焊接在一起。

根據部件尺寸和形狀、所需的產生速度、預期的焊接質量和特性以及其他因素，可以采用多種不同的方式進行 TTLW。這些方法中有用和通用的一種被稱為“準同步焊接”。 

在準同步焊接中，兩個部件要么夾在一起，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，并具有同時熔化整個焊接路徑的效果（因此得名）。當整個焊接路徑熔化后，激光被關閉，熔化的材料迅速重新凝固以形成焊接接頭。

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

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

塌筋法

準同步 TTLW 經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，底部部件有一個薄的突出筋，與頂部部件相應的凹槽相配合，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：準同步 TTLW 中“塌筋”方法的主要步驟示意圖。

TTLW 的這一具體實施例特別有用，因為即使部件不是完全平整的或公差不嚴，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的結果高度一致，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

當然，將 TTLW 聚合物焊接投入生產有許多微妙之處和考慮因素。那么，實現(xiàn)該技術的最佳方式是什么？在開始生產之前，甚至在產品設計周期過程中，實際上需要考慮三個關鍵事項。

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，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更容易、更穩(wěn)健。圖4總結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“可制造性設計”問題。例如，實施塌筋法要求零件設計在適當的位置要有足夠的空間，以便在焊接過程能讓夾具接合，同時還允許激光束無阻礙地進入整個焊接路徑。

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生的熔體飛邊。同時還必須對部件進行設計，以便有足夠的塌陷高度。對于高精度應用，零件設計時還可能必須考慮定位銷等對齊特性。目標是實現(xiàn)牢固的焊接和良好的焊縫外觀，同時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，以及必須監(jiān)測或控制哪些工藝變量才能實現(xiàn)所需的產出。在零件處理、聚合物焊接系統(tǒng)與其他生產設備的機械和軟件接口方面，當然還有擁有成本方面，也可能存在各種實際問題。

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

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