透明塑料材料的焊接

        在许多工业应用中，热塑性元件的激光焊接已经成为一项标准的加工方式。当使用二极管激光器、Nd:YAG激光器或光纤激光器时，标准的操作是在重合处进行投射式激光焊接。聚焦激光辐射穿透上层透明的塑料，被下层材料吸收，吸收的辐射能在表面转化成热能，由于热能的传导，就在上层形成接点。
        原色或者有色的塑料在近红外波段的吸收较低。炭黑是一种树脂添加剂，它可以在很广的波段（从可见到红外）有效提高塑料对激光的吸收率。然而，如果使用了炭黑，塑料就只能做成深色，无法做成透明的塑料元件。
        由英国剑桥焊接研究所（TWI）开发的Clearweld工艺使得透明或者有色塑料能够有效地吸收近红外光。它采用了特殊的近红外吸收材料作为元件表面的涂层，或者作为添加剂掺入下层的树脂中。这些材料在可见光范围内的吸收较小，在近红外区（800-1100 nm）的吸收较大。目前，在最大的吸收波长附近，具有各种不同的窄吸收带宽的吸收材料，它们可以被用来调整塑料的光学特性，以便适应各种常见的近红外激光器。除了取决于所使用的激光波长，最佳的吸收材料还取决于具体应用上的要求，比如加工参数、材料特性和目标元件所需的颜色。
         图1、透明的PMMA基底材料的透射曲线，以及在
PMMA表面应用了Clearweld涂层后，在激光辐射
前后的透射曲线（左图）。所得的结果是干净透明
的焊接点，并没有改变塑料的原色（右图）。        Clearweld涂层工艺
        带有吸收范围在940-1100 nm吸收剂的涂层为低粘性、基于溶剂的液体物质，被应用于各种配料系统中。典型的溶剂是乙醇和丙酮。涂层的用量以纳升/平方毫米（nL/mm2）为单位。溶剂可作为载体，挥发得很快，从而在塑料表面形成一层吸收材料薄膜。通常，干燥时间在1至7秒。也可以使用辅助干燥的方法，例如使用红外线灯对零件的预加热或者后加热，令溶剂的挥发更为迅速。涂层过程可以与焊接过程分开进行。
        当涂层应用到材料表面时，一个均匀的吸收剂薄层就沉积在材料的表面。在激光辐射以前，干燥后的涂层在可见波段有些许颜色。进行焊接时，激光辐射被涂层吸收，同时被转化成热能。由于热传导，临近于涂层的表面材料被加热而熔化，固化后就形成了焊点。在加热的过程中，吸收剂分解，涂层就完全失去了可见波段的颜色（见图1）。 图2、通过成功的配色，透光的上层和
吸收性的下层可能看起来一模一样，
同时焊接过程也得到了优化。

        添加剂
        吸收剂还可被于许多热塑材料中，它作为添加剂被加入下层的塑料中以协助激光焊接过程。这个过程类似于在材料中添加炭黑，不过，这里的颜色更为多样，可被用于透明/不透明的塑料零件中。
        根据应用上的不同要求，技术人员可以利用Clearweld吸收剂工艺来调节材料熔化的深度。这是通过改变树脂中吸收剂的浓度来实现的。吸收剂浓度与光学穿透深度直接相关，提高浓度就使得穿透深度降低，从而也减小了熔化的深度。
        如果需要一个很大的熔池来修正缝隙和几何偏差，并且不希望多聚物塑料被热降解，那么吸收剂的浓度可以设得低一些。如果所需的熔池的尺寸较小，比如，在微型流体设备的应用中，那么吸收剂的浓度可以高一些。
        包含Clearweld添加剂的特定混合树脂被设计并用于800-1100 nm波段的激光焊接中。这些树脂是以注模或者挤压模的形式制成，在混合过程中，它们的颜色可以通过着色剂进行配色，以获得一个特定的配方来实现特定的应用要求。该配方需要考虑许多方面的参数，包括多聚物的兼容性、颜色要求，以及焊接激光的波长。

 
        图2 是激光焊接的黄色和橙色的透明塑料样品。通过成功的进行配色，透光的上层和吸收性的下层可能看起来一模一样，同时焊接过程也得到了优化。但是，有时颜色的要求可能决定了所需的激光波长以及其他参数。可焊接的树脂以及这些添加剂可以一同进行混合挤压成模、模内注塑，或者挤压成薄膜，被冲切后，该薄膜可以被用于激光焊接中的中间过渡层。
        
        焊接储油器
        图3为激光焊接的储油器，它是由透明无色的PMMA塑料制成的。该零件是在Barkston塑料工业公司的半自动化生产线上制成的。在使用激光焊接以前，该产品是通过粘合剂连接起来的，其中的各部件是通过复杂的机械切割、额外的修正和表面的抛光等加工过程来实现的。顶部和底部的扁平盖子与中间的柱子是通过940nm二极管激光器焊接而成的。
        在焊接以前，Clearweld涂层被加在柱子的边缘。干燥后，元件被组装、夹紧并置于激光焊接台上。焊接过程是通过一个圆形的焊接线路来实现的，聚焦的激光光束从顶部穿过盖子射到柱子的边缘。在整个过程中，在柱子上部边缘的涂层被降解，使得底部盖子处、柱子的另一个边缘也同时被焊接。这是因为激光在柱子侧壁的内部反射，所以激光光束被引到另一边。激光焊接得到的流体焊接点非常紧密，强度很高，并且具有很好的光学外形。
        利用Clearweld涂层，顶部和底部可以同时被激光焊接到柱子上。这使得生产时间显著降低，产品质量明显提高，因为产品具有真空密封特性，而且整个产品完全透明。储油器的生产可以实现经济型、小批量生产，每批50个产品。
         
        焊接医用管件
        在与Natvar公司合作中，我们使用添加剂来吸收激光能量，焊接医疗应用中所需的管子（如图4）。通常，这些产品都是使用紫外光粘接或者溶剂接合的方式来实现的。紫外光粘接通常需要15-20秒的固化时间。溶剂接合是即时的，但是必须要加入一种化学品来产生接点。紫外光粘接和溶剂接合的方式都需要在整个过程中接触端口表面（锥形渐缩处），通常长度可达0.250-0.500英寸。
          
        这些管子可以通过管子内层和外层混合挤压成型来实现套管的要求，管子的外部是柔软、可触的表面。该表层可以是不同的塑料或者热塑性人造橡胶材料，比如PVC、TPU、TPE，或者COPE。添加剂被加在管子壁的外层，这样就可以利用激光来焊接管子两端的端口部分。管子和端口处必须是透明无色的，以便测量流经管子的液体。通过压合过程，端口被固定到管子上。利用光束整形，激光焊接过程可以形成环形接点，从而同步的进行焊接。压合过程不需要额外的夹具来固定。这样，激光焊接在管子的端部就形成了密封的接点，该焊接对元件的透明度没有任何影响。
        与紫外光粘接和溶剂接合方法相比，激光焊接的主要优势是它可以形成一个机械连接，不需要其他任何的溶剂或者接合剂。与传统的方法相比，要形成一个机械连接，激光焊接需要一个0.125英寸的长度。这个长度与常用工艺的标准可以相比拟，甚至要优于目前的常用工艺。另外，激光焊接所需时间小于0.5秒，而紫外光粘接则需要15-20秒固化时间。一些应用中，在管子的两端需要有不同类型的接口（利用溶剂接合一端，由紫外光粘接另一端）。而激光焊接则对两端都适用，而溶剂接合工艺则无法实现。
        透明的热塑性多聚物塑料和人造橡胶也可以进行激光焊接，可以采用近红外吸收材料来产生热能和局域熔化。该技术已经成功应用于不同的场合，表明Clearweld涂层或者添加剂能够匹配热塑性材料的吸收特性，从而使这些材料在工业上能实现激光焊接。激光焊接工艺能够得到透明无色的焊缝。激光能量仅在两元件交接面的焊缝处被吸收。其它区域并不吸收任何辐射，这样工件上就没有额外的热应力。
        使用添加剂，技术人员可以得到高质量的接点。与使用涂层相比，根据吸收剂的不同浓度，激光辐射能够在材料内部更深处被吸收。这样就形成了体积更大的熔融物质，它对于补偿更大的缝隙、或者填满较大的偏差来说更为有利。添加剂很适合于有色透明/不透明基底材料的注模，这些基底材料被应用于电子产品的外壳、医疗设备、液体容器，以及其他较小的元件，或者其它带有较大焊接区域的元件。通过很好的调节焊接参数，可以令焊缝的外观整洁，并且焊接强度高。
        激光焊接技术为工程师们提供了干净整洁的光学无色焊接点、真空密封的特性、灵活的设计、无接触式生产、无微粒且几乎没有闪光的加工过程，并且该技术不需要外加物质作为粘合剂。该技术在医疗、电子、汽车、纺织品、包装和消费品市场实现了新型且先进的塑料激光焊接。此外，所使用的添加剂和涂层都具有生物相容性。
        
        本文作者R. Klein (rklein@gentexcorp.com) 来自Gentex公司德国分部 (Gross-Umstadt) 。G. McGrath 来自Gentex Corporation 公司英国分部 (Cambridge) 。公司网址：www.gentexcorp.com。
        两位作者感谢Natvar公司的Bob Donohue和Barkston塑料工程公司的Tony Blackmore，以及位于美国Carbondale的Gentex公司Clearweld研究小组的协助。