CN110466162B - 一种双层透明塑料板激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层透明塑料板激光焊接方法，包括以下步骤：将金属丝涂覆一层熔融Zn，进行退火处理和塑形加工处理，得到表面微结构的金属丝；塑料板成型时，在待焊接区域，增加金属丝安装槽；得到含金属丝安装槽的塑料板；将表面微结构金属丝放置于待焊接一块塑料板金属丝安装槽中，覆盖另一块塑料板其安装槽覆盖于金属丝上；将两块塑料板连接部位夹紧固定，然后开启激光器，将激光光束对准金属丝，并沿着金属丝以设定的速度移动，进行焊接。本发明金属丝的微结构在激光焊接时，可减少激光反射，增加激光吸收，达到加快焊接速度的目的；而且在塑料热作用熔化时会渗透进这些微结构，增加了金属与塑料分子之间的范德华力，进一步增加了焊接强度。

Description

一种双层透明塑料板激光焊接方法
技术领域
本发明属于塑料激光焊接技术领域，具体涉及一种双层透明塑料板激光焊接方法。
背景技术
热塑性塑料因高抗疲劳性能、高断裂韧性、高比刚度和良好的生物相容性，在医疗和食品包装等领域得到了广泛的应用。随着塑料制品的多样化发展，仅仅依靠注塑成型方法难以满足市场的需求，对其进行二次连接势在必行。在医疗和食品包装等高要求领域中，特别是对于微型组件的连接，相比其他塑料焊接技术，塑料激光焊接技术具有高强度、高精度和无污染等优良特点，是医疗和食品包装领域的良好选择。
在医疗和食品包装领域，被连接的两个塑料件均为透明塑料的情况非常常见。目前，大多数激光器在焊接双层透明塑料时，由于上层材料的低激光能量吸收率，其不能直接被加热和熔化。为了将光能转化为热能，较为常用的方法是引入一些例如Clearweld、树脂等吸收剂。然而，在医疗和食品包装的焊接接头中添加吸收剂可能会带来两个风险：其一，吸收剂很容易在接头外扩散，并对人类健康构成潜在威胁；其二，吸收剂涂层质量在很大程度上取决于工艺，并可能导致焊接质量的不稳定。
为解决上述存在的问题，专利CN106273416A“一种用于连接塑料件的激光透射焊接方法”中，在待焊接的塑料件上开设沟槽，在沟槽中填充低熔点、强导热性的金属或合金粉末实现光能转化为热能，达到焊接塑料件的目的；实施例中主要是采用锌合金粉末，锌合金的最低熔点约为380℃，而一些塑料板例如PMMA的玻璃化温度为105℃，热分解温度略高于270℃，用于PMMA焊接时，由于锌合金的熔点高于PMMA的热分解温度，极易出现焊接缺陷，热分解现象，形成气孔，降低焊接强度；常用塑料件如PET(热分解温度283℃～306℃)、ABS(热分解温度略高于270℃)、PVC(热分解温度200℃～300℃)等，也存在类似问题，所以该方法存在局限性；此外，金属粉末如果在凹槽内填充不均匀或者其他填充问题还会引起焊接接头处不干净，焊接不稳定等问题。又如专利CN108515703A“透明塑料焊接方法”，具体公开了一种采用1700nm～2000nm长波长的激光依次透过散热片及处于上层的透明塑料，利用透明塑料对该波长范围内激光具有较低的透光率实现焊接。该方法利用透明塑料对长波长的透射率为65％～75％，其余能量会通过散热片损耗，能量利用率低，且激光器成本相对较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度、焊接稳定、无污染且成本相对较低的双层透明塑料板激光焊接方法。
本发明这种双层透明塑料板激光焊接方法，包括以下步骤：
1)金属丝的预处理：将金属丝涂覆一层熔融Zn，进行退火处理和塑形加工处理，得到表面微结构的金属丝；
2)塑料板开槽：塑料板成型时，在待焊接区域，增加金属丝安装槽，得到含金属丝安装槽的塑料板；
3)焊接：将步骤1)中的表面微结构金属丝放置于待焊接一块塑料板金属丝安装槽中，覆盖另一块塑料板其安装槽覆盖于金属丝上；将两块塑料板连接部位夹紧固定，然后开启激光器，将激光光束对准金属丝，并沿着金属丝以设定的速度移动，进行焊接。
所述步骤1)中，金属丝为铜丝或铁丝，优选的为铜丝；铜丝退火处理温度为620～640℃，铁丝退火处理温度为700～1100℃，退火处理时间为3.5～4h；塑形加工处理为滚压处理；最终金属丝表面形成微结构，有微裂纹和微凹坑，微裂纹最大宽度不应大于20μm，微凹坑直径不应大于20μm；涂覆的锌层厚度为0.05～0.08mm；表面微结构金属丝的直径为0.3～0.36mm。
所述步骤2)中，塑料板为透明塑料板，具体为PMMA、PET、ABS和PVC中的一种或多种；安装槽的横截面为半圆形，其直径为表面微结构金属丝直径的100～110％。
所述步骤3)中，待焊接的两块塑料必须具有相同的聚合物结构和搭接软化范围板；激光器的波长范围为850～950nm、功率为100W，设定速度为10～20mm/s。
本发明的原理：本发明通过在塑料板上开设金属丝安装槽，接着安装金属丝，使塑料板相互接触并夹紧固定，使其在激光焊接过程中，金属丝吸收热量形成热作用区，在热作用区内的塑料被融化形成接头，透明塑料件即被焊接在一起，其原理图如图1所示。
本发明的有益效果：1)本发明中利用Zn熔点低的特性，在金属丝表层制备了Zn涂层处理，在制备的退火处理过程中由于Zn与金属丝的热膨胀系数的差异(金属丝高于Zn)，在金属丝中形成压应力，在Zn涂层中形成拉应力，使得其在后续的塑形加工中，应力释放，在涂层表面形成不平整的微结构；这些微结构在激光焊接时，可减少激光反射，增加激光吸收，达到加快焊接速度的目的；而且在塑料热作用熔化时会渗透进这些微结构，增加了金属与塑料分子之间的范德华力，进一步增加了焊接强度。2)本发明采用的金属丝作为焊接介质，并且采用焊接时对板材进行了夹紧，双层透明塑料紧密贴合，使得焊缝较为光滑平整，使得最终获得的产品干净整洁美观。
附图说明
图1本发明的原理图；
图2本发明的制备工艺示意图；
图3实施例1金属丝预处理的工艺示意图；
图4实施例1制备的表面微结构铜丝的微观形貌图；
图5实施例1制备的表面微结构铜丝的EDS元素分析图；
具体实施方式
实施例1
本实施例的制备工艺流程如图2所述：
1)取直径为0.2mm铜丝，在金属铜丝上涂覆熔融的Zn，直至金属Zn层的厚度约为0.07mm，接着将金属丝在630℃下进行退火处理4h，然后，将金属丝置于滚压轮间进行往复滚压，滚压压力为100N，得到表面微结构铜丝，其直径为0.34mm，其制备工艺图如图3所示。
2)在PMMA板成型时，在其待焊机区域，增加半圆形的金属丝安装槽，安装槽的直径为0.35mm。
3)将表面微结构铜丝放到一块PMMA金属丝安装槽中，接着覆盖另一块PMMA，其安装槽覆盖于金属丝上，然后用夹具将连接部位夹紧；然后开启激光器(波长为915nm)，激光对准金属丝，设置功率为100W，移动速度为10mm/s，沿着金属丝进行一次焊接，焊接完毕后，查看焊接部位情况。
将实施例1制备的表面微结构铜丝进行SEM和EDS测试，其结果分别如图4和图5所示。从图4可知，铜丝表面的Zn层有许多的微裂纹和微凹坑，其平均宽度和平均直径基本小于20μm。对其表面元素进行EDS分析(图5)，可得出金属丝表面的主要化学元素是Cu和Zn，Cu和Zn的含量分别为42.43wt％和57.57wt％，主要是因为微结构的存在，使得金属铜成分被测得出来。
在焊接时，采用了夹具夹紧两块板材，进行固定，防止透明塑料因发生移位而导致焊接效果不佳；另一方面，提供必要的夹紧力，有效的使双层透明塑料紧密贴合，使得焊缝较为光滑平整。
实施例2
本实施例的制备工艺流程如图2所述：
1)取直径为0.2mm铁丝，在金属铁丝上涂覆熔融的Zn，直至金属Zn层的厚度约为0.05mm，接着将金属丝在750℃下进行退火处理4h，随炉冷却，然后将金属丝置于滚压轮间进行往复滚压，滚压压力为100N，得到表面微结构铁丝，其直径为0.3mm，其制备工艺图如图3所示。
2)在PMMA板成型之时，在其待焊机区域，增加半圆形的金属丝安装槽，安装槽的直径为0.3mm。
3)将表面微结构铁丝放入至一块PMMA金属丝安装槽中，接着覆盖另一块PMMA，其安装槽覆盖于金属丝上，然后用夹具将连接部位夹紧；然后开启激光器(波长为915nm)，激光对准金属丝，设置功率为100W，移动速度为10mm/s，沿着金属丝进行一次焊接，焊接完毕后，查看焊接部位情况。
实施例3
本实施例的制备工艺流程如图2所述：
1)取直径为0.2mm铜丝，在金属铜丝上涂覆熔融的Zn，直至金属Zn层的厚度约为0.07mm，接着将金属丝在630℃下进行退火处理4h，然后进行塑形加工处理，将金属丝置于滚压轮间进行往复滚压，滚压压力为100N，得到表面微结构铜丝，其直径为0.34mm，其制备工艺图如图3所示。
2)选取ABS和PBT进行塑料板制作，分别在ABS板和PBT板成型之时，在其待焊机区域，增加半圆形的金属丝安装槽，安装槽的直径为0.35mm。
3)将表面微结构铜丝放入至一块ABS板金属丝安装槽中，接着覆盖另一块PBT板，其安装槽覆盖于金属丝上，然后用夹具将连接部位夹紧；然后开启激光器(波长为915nm)，激光对准金属丝，设置功率为100W，移动速度为10mm/s，沿着金属丝进行一次焊接，焊接完毕后，查看焊接部位情况。

Claims (9)

1.一种双层透明塑料板激光焊接方法，包括以下步骤：
1）金属丝的预处理：将金属丝涂覆一层熔融Zn，进行退火处理和塑形加工处理，得到表面微结构的金属丝；
2）塑料板开槽：塑料板成型时，在待焊接区域，增加金属丝安装槽，得到含金属丝安装槽的塑料板；
3）焊接：将步骤1）中的表面微结构金属丝放置于待焊接一块塑料板金属丝安装槽中，覆盖另一块塑料板其安装槽覆盖于金属丝上；将两块塑料板连接部位夹紧固定，然后开启激光器，将激光光束对准金属丝，并沿着金属丝以设定的速度移动，进行焊接。
2.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，所述步骤1）中，金属丝为铜丝或铁丝。
3.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，所述的金属丝为铜丝。
4.根据权利要求1或2所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，铜丝退火处理温度为620～640℃，铁丝退火处理温度为700~1100℃，退火处理时间为3.5~4h。
5.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，所述步骤1）中，塑形加工处理为滚压处理。
6.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，步骤1）中，表面微结构的金属丝，其微结构为微裂纹或微凹坑，微裂纹最大宽度不应大于20μm，微凹坑直径不应大于20μm。
7.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，所述步骤1）中，涂覆的锌层厚度为0.05~0.08mm；表面微结构金属丝的直径为0.3~0.36mm。
8.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，所述步骤2）中，塑料板为透明塑料板，具体为PMMA、PET、ABS和PVC中的一种或多种；安装槽的横截面为半圆形，其直径为表面微结构金属丝直径的100~110%。
9.根据权利要求1所述的双层透明塑料板激光焊接方法，其特征在于，所述步骤3）中，待焊接的两块塑料板必须具有相同的聚合物结构和搭接软化范围；激光器的波长范围为850~950nm，功率为100W，设定速度为10~20mm/s。
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