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金屬和塑料激光焊接技術(shù)的最新研究進(jìn)展

塑料激光焊接和超聲波焊接。

激光焊接在材料加工領(lǐng)域占有重要地位。傳統(tǒng)的激光焊接主要在金屬材料之間進(jìn)行。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，不同材料之間的激光焊接也成為一個(gè)重要的突破方向。本文主要研究金屬和塑料激光焊接技術(shù)。

塑料激光焊接的應(yīng)用。

塑料實(shí)際上是一種聚合物。激光直接連接金屬和聚合物的原理主要是通過(guò)激光照射金屬產(chǎn)生高溫，通過(guò)熱傳導(dǎo)到達(dá)聚合物，在聚合物附近的連接界面上產(chǎn)生熔化區(qū)域，并在其內(nèi)部刺激小氣泡。由于其表面粗糙，氣泡的產(chǎn)生或快速膨脹產(chǎn)生高內(nèi)壓，熔化的聚合物與金屬表面緊密結(jié)合，促進(jìn)熔化的聚合物流入金屬。金屬與聚合物之間的物理連接(范德華力)、機(jī)械連接(稱為錨固效應(yīng))或化學(xué)連接。以下是從不同角度介紹焊接中的幾種關(guān)鍵技術(shù)。激光焊接塑料常見(jiàn)問(wèn)題。

1、焊接材料

2007年，大阪大學(xué)片山圣二（S.Katayama）首先，YAG激光器驗(yàn)證了金屬和塑料激光直接連接的可行性，并首次提出了LAMP（激光輔助金屬和塑料焊接技術(shù)）[1]，證明了各種金屬和塑料焊接是可行的。比如SUS304不銹鋼和PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)可以在兩者之間產(chǎn)生金屬-Cr-O-聚合物之間的化學(xué)連接，如鍍鋅鋼板和PAN(聚丙烯腈型)CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)能產(chǎn)生合金與塑料之間的接合。國(guó)內(nèi)江蘇大學(xué)也開(kāi)始了金屬和塑料的焊接研究。XiaoWang等[2]采用鈦和PET進(jìn)行焊接。分析發(fā)現(xiàn)Ti-C化學(xué)鍵形成，焊接功率低，夾緊力增加。

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不同材料之間的連接效果也不同。就聚合物材料而言，由于不同聚合物材料接受熱量后形成的氣泡體積、數(shù)量和尺寸不同，直接影響焊接面積和焊接強(qiáng)度。例如，YukioMIYASHITA等人發(fā)現(xiàn)PET、PC和SUS不銹鋼的焊接范圍不同[3]。就金屬而言，不同的金屬對(duì)激光有不同的吸收和導(dǎo)熱性。這直接導(dǎo)致了焊接面積的不同，也影響了金屬焊接的故障加載力。長(zhǎng)岡大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用銅、SUS304不銹鋼和A5052合金在同等條件下與PET激光焊接三種不同的金屬。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PET/SUS304在同等條件下的焊接強(qiáng)度最大[4]。歐卡德塑料激光焊接機(jī)。

2、激光器

激光器的選擇在金屬和塑料的焊接中尤為重要。不同激光器的生產(chǎn)方式、光束和功率范圍不同。目前，使用以下激光器：海賓斯塑料激光焊接機(jī)。

2.1Nd:YAG激光器

它是一種固體激光，可以刺激脈沖激光或連續(xù)激光，發(fā)射的激光是紅外波長(zhǎng)

1.064μm，產(chǎn)生的光是單色光。

2.2半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器，又稱激光二極管，是一種以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器。砷化鎵是常用的工作物質(zhì)（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等等。電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦有三種激勵(lì)方式。即半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)脈沖和連續(xù)兩種工作模式。

YAG激光器有錐形光束，半導(dǎo)體激光器可以產(chǎn)生線性光束，從塑料一側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)金屬和塑料焊接，調(diào)整YAG激光器焦距可以改變接頭強(qiáng)度，半導(dǎo)體激光器可以大大提高接頭強(qiáng)度，高功率連續(xù)激光束可以產(chǎn)生更深的滲透，江蘇大學(xué)使用近紅外二極管激光器焊接鈦和PET，直徑為900μm的焊接區(qū)[4]。塑料激光焊接機(jī)。

2.3飛秒激光器

飛秒激光器是一種超短脈沖激光器，目前并不廣泛應(yīng)用于金屬焊接領(lǐng)域。2013年，TomokazuSano等人也實(shí)現(xiàn)了金屬和塑料的焊接。研究還發(fā)現(xiàn)，脈沖和線之間的距離對(duì)焊接強(qiáng)度有很大的影響[5]。

3、優(yōu)化焊接工藝

在焊接過(guò)程中，許多工藝因素會(huì)影響焊接強(qiáng)度。激光焊接主要依靠熱量的輸入，因此熱量在提高焊接強(qiáng)度方面起著主導(dǎo)作用。主要表現(xiàn)如下：a、隨著功率的增加，拉力會(huì)升高，然后在某一點(diǎn)下降，同樣的焊接速度也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的影響；b、接合部的比例增加，接合強(qiáng)度也相應(yīng)增加。上述研究也證明，雖然熱量輸入占主導(dǎo)地位，但并不是說(shuō)熱量輸入越大，焊接效果越好，焊接強(qiáng)度曲線有飽和點(diǎn)。

此外，激光照射的方式也有影響。目前，激光從塑料側(cè)面廣泛照射，可使激光束直接照射到裝配部位，瞬間產(chǎn)生高熱量，提高連接強(qiáng)度。

此外，還有其他影響焊接的因素。2011年，片山圣二等人發(fā)現(xiàn)：a、激光引起的羽化現(xiàn)象。激光照射金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生羽化，其中高羽會(huì)引起淺焊；b、激光吸收。光束越小，能量越高或焊接速度越低，光吸收越高。當(dāng)激光射入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“鑰匙孔”結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的焊接速率，鑰匙孔和熔化池的尺寸不同，影響光的吸收，從而影響焊接效果[6]。Yukiomiyashita等研究發(fā)現(xiàn)，由于施加力的大小和頻率，氣泡的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。施加適當(dāng)?shù)撵o態(tài)力可以抑制氣泡的擴(kuò)張，有利于提高焊接強(qiáng)度；施加周期的接觸力會(huì)使氣泡流動(dòng)迅速，降低氣泡密度，其焊接強(qiáng)度小于靜態(tài)壓力[7]。因此，施加不同的力提出了提高焊接強(qiáng)度的新手段。

4、表面預(yù)處理

塑料激光焊接廠家。

大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬和塑料焊接時(shí)，塑料會(huì)被熱分解或熔化。如果金屬表面粗糙或有一定的微結(jié)構(gòu)，這部分流動(dòng)的塑料會(huì)進(jìn)入金屬的這些粗糙部位?？焖倮鋮s后，塑料會(huì)停留在這些微結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生錨定作用。因此，許多研究人員開(kāi)始處理金屬表面，希望獲得理想的表面微結(jié)構(gòu)，增加焊接強(qiáng)度。這些處理包括物理、化學(xué)和其他手段。由于金屬表面一般有氧化層，可能會(huì)影響金屬與塑料的連接，WahbaM[9]等人在焊接前采取預(yù)處理措施，首先摩擦金屬樣品AZ91D去除表面氧化層，然后用丙酮清洗，然后用激光表面處理金屬樣品，通過(guò)這種預(yù)處理增強(qiáng)組合強(qiáng)度，研究人員還開(kāi)發(fā)了紫外線-臭氧[10]等聚合物材料的方法。不同的預(yù)處理方法會(huì)導(dǎo)致不同的孔。當(dāng)然，更深的孔可以錨定得更深。

5、結(jié)語(yǔ)

透明塑料激光焊接。
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