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激光塑料焊接的優(yōu)勢(shì)
粘接工藝就是使用粘合劑將需要連接的兩部分粘在一起。實(shí)質(zhì)上,被連接的兩部分是通過它們之間的粘合劑層所產(chǎn)生的粘接力連接在一起的。作為應(yīng)用范圍zui廣泛的連接方式之一,粘接具有如下的優(yōu)點(diǎn):幾乎適用于所有材料、無需加熱、被粘接的兩部分相互獨(dú)立且無損傷以及內(nèi)應(yīng)力均勻分布于整個(gè)粘接表面。但是,粘接工藝也存在一些比較明顯的缺點(diǎn),如:粘接層容易老化變質(zhì)、在外應(yīng)力作用下容易分層、耐熱性較差以及在不破壞器件的前提下難以對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。
與粘接工藝相比,激光塑料焊接技術(shù)也是從這種簡(jiǎn)單的原理發(fā)展而來,并逐漸演化成為塑料連接技術(shù)的主流。
激光塑料焊接技術(shù)的基本原理是:首先將激光穿透層與激光吸收層連接在一起。然后,激光束透過位于上層的穿透性塑料(僅有少量損失),并被位于下層的激光吸收層*吸收。吸收能量后,激光吸收層熔化,同時(shí)將熱量傳導(dǎo)到上層穿透性塑料的底部,也使其熔化。zui后,在壓力的作用下,實(shí)現(xiàn)兩部分的連接。
在設(shè)計(jì)方面,激光塑料焊接的柔韌性、度、質(zhì)量可靠性以及經(jīng)濟(jì)效率遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的連接工藝(如粘接)。其無需使用添加劑耗材、清潔無顆粒以及焊線極其美觀的優(yōu)點(diǎn),都是其他連接工藝*的。不僅如此,激光塑料焊接工藝過程簡(jiǎn)單,夾具與卡具用來固定并施加壓力,不直接介入,無需特殊的維護(hù)保養(yǎng),加之在線質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù),使得激光塑料焊接技術(shù)具有相當(dāng)大的吸引力。
以下從力學(xué)強(qiáng)度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性、使用范圍、工藝設(shè)定與生產(chǎn)自動(dòng)化、質(zhì)量與工藝控制以及經(jīng)濟(jì)效率這5個(gè)方面,來分析比較粘接工藝和激光塑料焊接工藝。
力學(xué)強(qiáng)度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性
在塑料的粘接過程中,一般不產(chǎn)生或者只產(chǎn)生比較低的熱應(yīng)力。但是,該熱應(yīng)力會(huì)對(duì)粘接工藝的應(yīng)用范圍與結(jié)合點(diǎn)的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)導(dǎo)致被粘接的兩種材料產(chǎn)生不同程度的膨脹,從而在結(jié)合點(diǎn)處產(chǎn)生剪應(yīng)力。在這種力的長(zhǎng)期作用下,結(jié)合點(diǎn)的性能會(huì)慢慢蛻變,導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低,穩(wěn)定性變差。
不同的是,激光塑料焊接技術(shù)不改變聚合物的化學(xué)和物理特性,因此其連接點(diǎn)的力學(xué)強(qiáng)度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性較高。不僅如此,激光的能量能夠被控制,從而提高焊接的度(能夠定位,實(shí)現(xiàn)微小焊縫的焊接,從而使不需要焊接的位置不受任何影響,如圖2所示)。因此,激光焊接技術(shù)憑借該特性與高清潔性(焊接過程中無顆粒釋放)而成為加工醫(yī)療產(chǎn)品的理想連接方式。
使用范圍
粘接工藝幾乎可以應(yīng)用于所有材料,而且對(duì)材料尺寸的限制較小。元件在粘接開始后依然可以復(fù)位,當(dāng)然這需要在粘接過程中加入特殊的附加材料。
相比之下,激光塑料焊接則對(duì)材料的種類、特性(如要求兩種被焊接材料的熔點(diǎn)非常接近)和尺寸都有相對(duì)較高的要求。
連接過程的工藝設(shè)定與生產(chǎn)自動(dòng)化
粘接工藝包含預(yù)清潔(使用物理或化學(xué)方法,對(duì)提供粘接點(diǎn)的器件進(jìn)行表面處理,除去一些有問題的表層,使真正的材料清潔地展現(xiàn)出來)和硬化等多種附加工藝步驟,因此所需的加工時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí),粘接工藝對(duì)于具體的加工時(shí)間也有嚴(yán)格要求。如此一來,較多的附加步驟所占用的時(shí)間對(duì)粘接工藝整體的時(shí)間規(guī)劃造成了不利的影響,比如,硬化時(shí)間就是必須考慮的一項(xiàng)因素。除了加工時(shí)間方面的問題,粘接工藝(包括幾個(gè)附加步驟)所用的設(shè)備對(duì)于空間的需求也很大。
相比之下,激光塑料焊接在加工過程中無需添加劑(如膠水),因而很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。同時(shí),激光塑料焊接的工藝步驟少,無需對(duì)器件進(jìn)行表面預(yù)清潔,也不存在后期的硬化,因此生產(chǎn)時(shí)間明顯短于粘接工藝。激光傳輸焊接對(duì)于器件的設(shè)計(jì)要求稍高,但是,如果在設(shè)計(jì)的起始階段就將工藝要求作為參考因素,并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn),就能夠?qū)附舆^程進(jìn)行優(yōu)化。
質(zhì)量與工藝控制
對(duì)于粘接工藝,粘接質(zhì)量的評(píng)估與檢測(cè)需要在全部工藝過程完成之后才能進(jìn)行,這相當(dāng)于又增加了一個(gè)工藝步驟。而激光傳輸焊接可以在連續(xù)的生產(chǎn)過程中使用多種方法進(jìn)行即時(shí)在線檢測(cè)。例如,遙感高溫計(jì)可以地測(cè)量并控制焊接過程中產(chǎn)生的熱,從而確保每一件產(chǎn)品的質(zhì)量。
焊接融合軌跡(塌陷高度)的檢測(cè)方式被廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)同步焊接之中,即將焊接部位設(shè)計(jì)成突起的連接筋,該連接筋會(huì)在焊接過程中融化,而2個(gè)被焊接部件在卡壓力的作用下被壓緊在一起。在此過程中,需要測(cè)量并控制塌陷高度。這種質(zhì)量追蹤控制與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存滿足了汽車、醫(yī)療領(lǐng)域?qū)c(diǎn)到點(diǎn)記錄追蹤的要求。
經(jīng)濟(jì)效率
對(duì)于一種工藝的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,zui重要的是單個(gè)產(chǎn)品的成本分析。激光塑料焊接技術(shù)在此方面優(yōu)勢(shì)顯著:無需表面清潔處理,加工時(shí)間短,沒有硬化等附加步驟。分析結(jié)果表明,生產(chǎn)數(shù)量越大,激光塑料焊接技術(shù)在產(chǎn)品成本方面的優(yōu)勢(shì)就越突出。
除此之外,對(duì)于工藝的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,還應(yīng)該著眼于設(shè)備與工具的價(jià)格,以及與工藝過程相關(guān)的附加材料、器件的費(fèi)用。在初始設(shè)備投資方面,激光塑料焊接zui初的設(shè)備投資可能是比較昂貴的,但是在大批量生產(chǎn)的情況下,相對(duì)于產(chǎn)品成本,這種設(shè)備投資就顯得微不足道了。在附加材料成本方面,激光塑料焊接也有其*的優(yōu)勢(shì),特別是在大批量生產(chǎn)以及加工大型器件的情況下,激光塑料焊接節(jié)省了大量的粘合劑耗材成本。
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