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激光塑料焊接的優勢
與傳統的塑料粘接技術相比,塑料焊接技術避免了粘合劑的使用,為環境與人類的健康提供了更多的保障。激光焊接技術作為其中的典型代表,憑借其高質量、清潔衛生、高經濟效益以及具備多種在線監測工藝等諸多優勢,在塑料連接領域中占領了重要地位。
粘接工藝就是使用粘合劑將需要連接的兩部分粘在一起。實質上,被連接的兩部分是通過它們之間的粘合劑層所產生的粘接力連接在一起的。作為應用范圍zui廣泛的連接方式之一,粘接具有如下的優點:幾乎適用于所有材料、無需加熱、被粘接的兩部分相互獨立且無損傷以及內應力均勻分布于整個粘接表面。但是,粘接工藝也存在一些比較明顯的缺點,如:粘接層容易老化變質、在外應力作用下容易分層、耐熱性較差以及在不破壞器件的前提下難以對產品質量進行檢測。
與粘接工藝相比,激光塑料焊接技術也是從這種簡單的原理發展而來,并逐漸演化成為塑料連接技術的主流。
激光塑料焊接技術的基本原理是: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,同時將熱量傳導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,實現兩部分的連接。
在設計方面,激光塑料焊接的柔韌性、度、質量可靠性以及經濟效率遠優于傳統的連接工藝(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點,都是其他連接工藝*的。不僅如此,激光塑料焊接工藝過程簡單,夾具與卡具用來固定并施加壓力,不直接介入,無需特殊的維護保養,加之在線質量監控等技術,使得激光塑料焊接技術具有相當大的吸引力。
以下從力學強度與長期穩定性、使用范圍、工藝設定與生產自動化、質量與工藝控制以及經濟效率這5個方面,來分析比較粘接工藝和激光塑料焊接工藝。
力學強度與長期穩定性
在塑料的粘接過程中,一般不產生或者只產生比較低的熱應力。但是,該熱應力會對粘接工藝的應用范圍與結合點的力學性能產生很大的影響。因為溫度的變化會導致被粘接的兩種材料產生不同程度的膨脹,從而在結合點處產生剪應力。在這種力的長期作用下,結合點的性能會慢慢蛻變,導致力學強度降低,穩定性變差。
不同的是,激光塑料焊接技術不改變聚合物的化學和物理特性,因此其連接點的力學強度與長期穩定性較高。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,實現微小焊縫的焊接,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)而成為加工醫療產品的理想連接方式。
使用范圍
粘接工藝幾乎可以應用于所有材料,而且對材料尺寸的限制較小。元件在粘接開始后依然可以復位,當然這需要在粘接過程中加入特殊的附加材料。
相比之下,激光塑料焊接則對材料的種類、特性(如要求兩種被焊接材料的熔點非常接近)和尺寸都有相對較高的要求。
連接過程的工藝設定與生產自動化
粘接工藝包含預清潔(使用物理或化學方法,對提供粘接點的器件進行表面處理,除去一些有問題的表層,使真正的材料清潔地展現出來)和硬化等多種附加工藝步驟,因此所需的加工時間較長。同時,粘接工藝對于具體的加工時間也有嚴格要求。如此一來,較多的附加步驟所占用的時間對粘接工藝整體的時間規劃造成了不利的影響,比如,硬化時間就是必須考慮的一項因素。除了加工時間方面的問題,粘接工藝(包括幾個附加步驟)所用的設備對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),因而很容易實現自動化操作。同時,激光塑料焊接的工藝步驟少,無需對器件進行表面預清潔,也不存在后期的硬化,因此生產時間明顯短于粘接工藝。激光傳輸焊接對于器件的設計要求稍高,但是,如果在設計的起始階段就將工藝要求作為參考因素,并對設計進行改進,就能夠對焊接過程進行優化。
質量與工藝控制
對于粘接工藝,粘接質量的評估與檢測需要在全部工藝過程完成之后才能進行,這相當于又增加了一個工藝步驟。而激光傳輸焊接可以在連續的生產過程中使用多種方法進行即時在線檢測。例如,遙感高溫計可以地測量并控制焊接過程中產生的熱,從而確保每一件產品的質量。
焊接融合軌跡(塌陷高度)的檢測方式被廣泛應用于準同步焊接之中,即將焊接部位設計成突起的連接筋,該連接筋會在焊接過程中融化,而2個被焊接部件在卡壓力的作用下被壓緊在一起。在此過程中,需要測量并控制塌陷高度。這種質量追蹤控制與數據儲存滿足了汽車、醫療領域對點到點記錄追蹤的要求。
經濟效率
對于一種工藝的經濟性評估,zui重要的是單個產品的成本分析。激光塑料焊接技術在此方面優勢顯著:無需表面清潔處理,加工時間短,沒有硬化等附加步驟。分析結果表明,生產數量越大,激光塑料焊接技術在產品成本方面的優勢就越突出。
除此之外,對于工藝的經濟性評估,還應該著眼于設備與工具的價格,以及與工藝過程相關的附加材料、器件的費用。在初始設備投資方面,激光塑料焊接zui初的設備投資可能是比較昂貴的,但是在大批量生產的情況下,相對于產品成本,這種設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*的優勢,特別是在大批量生產以及加工大型器件的情況下,激光塑料焊接節省了大量的粘合劑耗材成本。
粘接工藝就是使用粘合劑將需要連接的兩部分粘在一起。實質上,被連接的兩部分是通過它們之間的粘合劑層所產生的粘接力連接在一起的。作為應用范圍zui廣泛的連接方式之一,粘接具有如下的優點:幾乎適用于所有材料、無需加熱、被粘接的兩部分相互獨立且無損傷以及內應力均勻分布于整個粘接表面。但是,粘接工藝也存在一些比較明顯的缺點,如:粘接層容易老化變質、在外應力作用下容易分層、耐熱性較差以及在不破壞器件的前提下難以對產品質量進行檢測。
與粘接工藝相比,激光塑料焊接技術也是從這種簡單的原理發展而來,并逐漸演化成為塑料連接技術的主流。
激光塑料焊接技術的基本原理是: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,同時將熱量傳導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,實現兩部分的連接。
在設計方面,激光塑料焊接的柔韌性、度、質量可靠性以及經濟效率遠優于傳統的連接工藝(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點,都是其他連接工藝*的。不僅如此,激光塑料焊接工藝過程簡單,夾具與卡具用來固定并施加壓力,不直接介入,無需特殊的維護保養,加之在線質量監控等技術,使得激光塑料焊接技術具有相當大的吸引力。
以下從力學強度與長期穩定性、使用范圍、工藝設定與生產自動化、質量與工藝控制以及經濟效率這5個方面,來分析比較粘接工藝和激光塑料焊接工藝。
力學強度與長期穩定性
在塑料的粘接過程中,一般不產生或者只產生比較低的熱應力。但是,該熱應力會對粘接工藝的應用范圍與結合點的力學性能產生很大的影響。因為溫度的變化會導致被粘接的兩種材料產生不同程度的膨脹,從而在結合點處產生剪應力。在這種力的長期作用下,結合點的性能會慢慢蛻變,導致力學強度降低,穩定性變差。
不同的是,激光塑料焊接技術不改變聚合物的化學和物理特性,因此其連接點的力學強度與長期穩定性較高。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,實現微小焊縫的焊接,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)而成為加工醫療產品的理想連接方式。
使用范圍
粘接工藝幾乎可以應用于所有材料,而且對材料尺寸的限制較小。元件在粘接開始后依然可以復位,當然這需要在粘接過程中加入特殊的附加材料。
相比之下,激光塑料焊接則對材料的種類、特性(如要求兩種被焊接材料的熔點非常接近)和尺寸都有相對較高的要求。
連接過程的工藝設定與生產自動化
粘接工藝包含預清潔(使用物理或化學方法,對提供粘接點的器件進行表面處理,除去一些有問題的表層,使真正的材料清潔地展現出來)和硬化等多種附加工藝步驟,因此所需的加工時間較長。同時,粘接工藝對于具體的加工時間也有嚴格要求。如此一來,較多的附加步驟所占用的時間對粘接工藝整體的時間規劃造成了不利的影響,比如,硬化時間就是必須考慮的一項因素。除了加工時間方面的問題,粘接工藝(包括幾個附加步驟)所用的設備對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),因而很容易實現自動化操作。同時,激光塑料焊接的工藝步驟少,無需對器件進行表面預清潔,也不存在后期的硬化,因此生產時間明顯短于粘接工藝。激光傳輸焊接對于器件的設計要求稍高,但是,如果在設計的起始階段就將工藝要求作為參考因素,并對設計進行改進,就能夠對焊接過程進行優化。
質量與工藝控制
對于粘接工藝,粘接質量的評估與檢測需要在全部工藝過程完成之后才能進行,這相當于又增加了一個工藝步驟。而激光傳輸焊接可以在連續的生產過程中使用多種方法進行即時在線檢測。例如,遙感高溫計可以地測量并控制焊接過程中產生的熱,從而確保每一件產品的質量。
焊接融合軌跡(塌陷高度)的檢測方式被廣泛應用于準同步焊接之中,即將焊接部位設計成突起的連接筋,該連接筋會在焊接過程中融化,而2個被焊接部件在卡壓力的作用下被壓緊在一起。在此過程中,需要測量并控制塌陷高度。這種質量追蹤控制與數據儲存滿足了汽車、醫療領域對點到點記錄追蹤的要求。
經濟效率
對于一種工藝的經濟性評估,zui重要的是單個產品的成本分析。激光塑料焊接技術在此方面優勢顯著:無需表面清潔處理,加工時間短,沒有硬化等附加步驟。分析結果表明,生產數量越大,激光塑料焊接技術在產品成本方面的優勢就越突出。
除此之外,對于工藝的經濟性評估,還應該著眼于設備與工具的價格,以及與工藝過程相關的附加材料、器件的費用。在初始設備投資方面,激光塑料焊接zui初的設備投資可能是比較昂貴的,但是在大批量生產的情況下,相對于產品成本,這種設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*的優勢,特別是在大批量生產以及加工大型器件的情況下,激光塑料焊接節省了大量的粘合劑耗材成本。
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