热塑性塑料的激光焊接实验研究

1、 本文由想当个好孩子贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第3卷 第1期 光 学 与 光 电 技 术 OPTICS & OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Vol. 3, No. 1 February, 2005 2005 年 2 月 文章编号 1672-3392(2005)01-0018-04 热塑性塑料的激光焊接实验研究 袁 晖1 赖建军 2 何云贵 1 （1 华中科技大学激光技术与工程研究院，武汉 430074； 2 华中科技大学光电子工程系，武汉 430074） 摘 要 建立了半导体激光焊接系统， 在此系统上

2、进行了热塑性塑料的激光焊接实验， 研究了不同颜料有机玻璃材 料组合的激光焊接可行性，进行了有机玻璃的激光焊接实验，并对焊接样品的焊接强度进行了测试。 关键词 塑料；激光；焊接 文献标识码 A 中图分类号 TG456.7 1 引 言 传统的塑料焊接技术有超声波焊接、 振动焊接、 热平板焊接等，在工业中已得到广泛的应用 。近 来随着激光技术的发展，采用激光加热源实现塑料 焊接的技术在国外得到了重视，已有部分焊接设备 投放市场 。激光焊接的优点是能生成精密、牢固 和密封（不透气和不漏水）的焊缝，而且树脂降解 少，产生的碎屑少，由于激光的非接触特性，不会 产生污染。另一个优点是激光焊接比采用其它连接

3、方式所产生的振动应力和热应力小，意味着制品或 者装置的内部组件的老化速度更慢，因此更适合应 用于易损坏的制品如电子传感器或微机电系统 （MEMS）3。由于成本和材料方面的原因，塑料 的激光焊接尚未全面推广，在国内，这方面的研究 基本上是空白，塑料的激光加工应用仅限于切割和 标记。 本文利用半导体激光作为激光局部加热源，研 究透射焊接方式实现有机玻璃（PMMA）材料的焊 接工艺。同时，利用一种透明吸收材料，实现了两 种透明材料之间的焊接，进行了三层塑料基底材料 的堆叠焊接实验，为实现塑料部件的堆叠焊接提供 了一条途径。 2 1 一起的热塑性塑料，一种对激光透明，另一种在激 光波长处具有较高的吸收

4、率。当激光透过透明的塑 料加热具有一定吸收率的另一塑料时，产生的热量 促使紧密接触的两塑料熔化，由于材料的扩散最终 在界面形成瞬时渗透焊缝。这是一种高速、非接触 焊接热塑性塑料的方法。焊接过程所需的能量施加 于接头区域内很薄的一层。大多数本征塑料能让半 导体激光（近红外波段）透过，与之配合的另一塑 料，通过添加选择性吸收激光的色素可以转化为能 够吸收激光束的塑料。利用透射激光焊接方式， Kagan 等人对以尼龙为主的塑料的激光焊接进行了 详尽研究4。 force laser beam force pressure plate fused zone HAZ plastics A plastics

5、 B base 图 1 透射激光焊接原理图 Fig.1 Principle diagram of transmission laser welding 2 透射激光焊接原理和装置 透射激光焊接的原理如图 1 所示。两种紧贴在 基于透射激光焊接原理的半导体激光焊接系 统，如图 2 所示。该系统主要由激光光源系统、激 光光束变换系统、工件夹持和对准平台、CCD 显微 收稿日期 2004-11-04； 修改稿日期 2004-12-24 作者简介 袁晖（1979-） ，男，博士研究生，主要研究方向是激光与物质相互作用。E-mail: jjlai 第1期 袁晖 等：热塑性塑料的激光焊接实验研究 19 成

6、像系统、电控位移台以及微机主控系统等组成。 间的焊接， 对于焊接的样品进行了焊接强度的测试。 3.1 材料光学性能对焊接的影响 为了检查不同颜色有机玻璃的可焊接特性，利 用傅里叶红外光谱仪分别测试了蓝色、红色、白色 和无色有机玻璃的透过率曲线 （如图 3 所示） 同时 ， 考察它们对激光的吸收特性。从图 3 可以看出，红 色有机玻璃在激光波长处的透过率与透明有机玻璃 相当，而白色与蓝色有机玻璃的透过率很低，黑色 有机玻璃则完全不透明。显然，红色有机玻璃直接 和透明无色的有机玻璃难以直接焊接，而白色和蓝 色有机玻璃则由于透过率都低，也不能直接焊接。 图 2 半导体激光键合实验装置 Fig.2 E

7、xperimental system of diode laser bonding of thermoplastics 掺入不同颜料导致的焊接性能的差异可能来源于两 个效应：颜料的吸收增强和微粒的散射5。但是颜 料的本征吸收对激光的透过率的影响较小，主要的 吸收因素是微粒的散射。 微粒的散射导致扩散反射， 也可能引起激光能量密度的降低，从而需要更高的 激光功率才能实现焊接。在所有颜色的材料中，黑 色有机玻璃在可见光和激光波长处的透过率近似为 零，且吸收高，因而最易于激光焊接。 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 从激光器光源系统发出的激光经过光束变换部 件形成激光

8、聚焦点光束，然后作用于对准平台上的 塑料芯片上。对准平台固定于多轴电控位移台上， 提供待焊接工件的固定、对准和接触功能。电控位 y 伺服控制器 移台至少拥有 x， 两轴位移调整功能。 从微机主控系统获得指令，控制位移台的运动。 CCD 显微成像系统提供工件对准、 焊接定位和焊接 情况的观察途径。工件夹持和对准平台分别由上下 工件真空吸附板、接触压力传感器以及手动微移台 组成。当上下工件被真空吸附于各自的支撑板后， 调整工件之间的距离，使它们几乎接触，同时通过 CCD 显微成像系统观察， 调节微移台实现上下工件 的对准，然后调整两板的间距，使之接触，接触压 力通过压力传感器感知，压力范围在 02

9、0 MPa 之 间。 本装置的特点是体积小、结构紧凑、聚焦光 斑小。半导体激光器的波长为 808 nm，连续输出 功率为 25 W。采用 3.5 倍缩小倍率的光学系统将 从 200 m 光纤芯径出射的激光光斑缩小到 70 80 m。 thickness transparent PMMA:2.5mm colourless bule red white Transmiss ion（ %） 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Wavelength/m 图 3 厚度为 2.5 mm 的无色和有色有机玻璃片的光学透过 率曲线 Fig.3 Optical transmission curves

10、 of colourless and several colored PMMA sheets (thickness: 2.5 mm) 3.2 焊接实验 对于两个透明有机玻璃片，在其中一个片上复 印一层厚度 0.175 mm 的碳黑后，进行了焊接实验。 变化激光功率和扫描速度（0.320 W，550 mm/s） ，实现了多种条件下的焊接。图 4（a）为一 种典型的具有直焊接线的焊接样品，其中由于片间 接触压力不均匀，局部区域的焊接线宽明显较窄或 漏焊。实验发现，焊接这种薄片，所需的最小功率 不足 0.3 W。选择合适的焊接速度和接触压力，可 以得到小于 100 m 的焊接线宽。图 4（b）为剥离

11、 后焊接面的显微照片。 3 实验结果和讨论 在上述的焊接装置上进行了不同颜色的有机玻 璃薄片的焊接实验。选取有机玻璃薄片的厚度为 0.12.5 mm 之间，在激光波长处的透过率为 92% （当厚度为 2.5 mm 时） 。考察了材料的光学特性对 焊接的影响，分别采用炭黑粉和一种特殊的透明吸 收染料作为激光吸收材料，实施了有机玻璃薄片之 20 光 学 与 光 电 技 术 第3卷 （a） 图 6 透明焊接线的显微照片 Fig.6 Micrograph of typical transparent welded lines 3.4 焊接强度测试 （b） 图 4 激光焊接得到的 PMMA 实验样片（a

12、）和焊接线(b) 的显微照片 Fig.4 Microphotos of welded PMMA sample (a) and welded line (b) 利用自制的拉力测试仪进行了焊接强度测试。 薄膜焊接样品的测试方法如图 8 所示。由于最初的 用途是用于微电子器件的薄膜强度的测试，拉力测 试仪中压力传感器的量程只有 10 kg。 测试时， 测试 仪的一端固定，另一端以 0.5 cm/min 的速度由步进 电机带动向外侧用力拉。测试的结果如图 9 所示， 根据焊接线的面积可以计算得到平均焊接强度约为 58 MPa。图 10 为有机玻璃焊接样品在手工分离后 的焊接线照片。其中底部的矩形焊接图

13、形在分离过 程中，塑料片并非完整剥离开，而是从焊接线处裂 开，甚至塑料片本身断裂，说明焊接强度很高，可 能超过有机玻璃本体强度。 3.3 透明焊接线工艺 上述掺杂碳黑的方法在某些情况下，可能妨碍 探测和观察。为了解决此问题，采用一种浅色染料 作为激光吸收材料，使得焊接的样品具有较好的透 明性。这种染料可以掺杂在塑料材料中，或利用喷 溅、旋涂等方法涂敷在塑料表面。这种染料在 9401100 nm 具有高的吸收， 808 nm 处也有一定 在 的吸收，可以利用本半导体激光系统进行焊接。图 5 显示了涂敷在有机玻璃上的这种染料在焊接前后 的光学透过率。图 6 为透明的焊接线的显微照片。 图 7 为具

14、有透明焊接线的有机玻璃微流芯片焊接样 片，显示了透明塑料片焊接的可行性。此实验中， 有机玻璃微流芯片上的沟槽采用 CO2 激光切割，宽 度为 0.51.5 mm。然后和另一涂敷有吸收染料的 有机玻璃基底在半导体激光焊接下焊接在一起。 图 7 具有透明焊接线的有机玻璃微流体焊接样片 100 90 80 Fig.7 Welded sample of PMMA microfluidic chip with transparent welded lines F F Transmission(%) Transmission(%) 70 60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 70

15、0 800 900 Wavelength/nm 1000 1100 1200 Epoxy adhesive Polymer A Polymer B Welded zone Wavelength/nm 图 5 有机玻璃上涂敷透明染料前后的光学透过率。 （a）焊 接前； （b）未涂敷染料时； （c）焊接后 Fig.5 Transmission curves of PMMA under three cases: (a) dye coated, but no weld; (b) no coated, native; (c) dye coated, weld F F 图 8 焊接强度测试方法 Fig.8

16、 Method of weld strength testing 第1期 袁晖 等：热塑性塑料的激光焊接实验研究 21 层的设计和使用，可以用于多种塑料的焊接。不同 140000 120000 100000 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 颜色的塑料材料在激光波长处的透过率相差很大， 颜料对激光的吸收具有增强作用，因而可以通过控 制颜料的种类和掺杂水平， 获得不同的焊接适应性。 炭黑具有最低的光学透过率和最高的吸收率，是塑 料焊接中常用的激光吸收物质。但是在某些应用场 合，需要透明的观察和外观，则透明吸收物质是一 种很好的选择。利用透明吸收物质可以焊接两

17、种皆 Force (mN) 80000 60000 40000 20000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Displacement ( m) 透明的塑料。焊接强度测试表明，激光焊接可以得 到高强度的焊接线。 图 9 4 个焊接样品的拉力测试曲线 Fig.9 Testing curves for 4 welded samples 致 谢 感谢华中科技大学微系统中心朱福龙博士在焊 接强度测试方面给予的支持。 参考文献 1 Jones I A, Chipperfield F A. A review of joining processes for packag

18、ing with plasticsJ. Pharmaceutical and Medical Packaging, 1999, 5: 1819 2 Nonhof C J. Laser welding of polymersJ. Polymer Engineering and Science, 1994, 34(20): 1547 3 赖建军, 陈西曲, 周宏，等. 应用于微系统封装的激光局 部加热键合技术J. 微纳电子技术, 2003, 40(7/8): 257 260 4 Kagan V A, Bray R G, Kuhn W P. Laser transmission welding of

19、 semi-crystalline thermoplastics-part I: optical characterization of nylon-based plasticsC. SPE/ ANTEC2000 Conference Proceeding , 2000, 1: 11011122 5 Grimm, Robert A, Yeh, et al. Infrared welding of thermoplastics: colored pgments and crbon black levels on transmission on Infrared RadiationC. SPE/Antec98 Conference Proceedings, 1998, 1: 10261029 图 10 厚度为 0.175 mm 的有机玻璃焊接样品的焊接线照片 Fig.10 Various welded lines in one welded PMMA sample with thickness of 0.175 mm 4 结 论 透射激光焊接是激光焊接塑料的一种主要方 式，由于大多数本征塑料在近红外波段都具有良好 的光学透过率，因此，此方式结合吸收染料或吸收 Experimental Study on Laser