塑料熱板焊接 VS 紅外焊接
塑料熱板焊接 VS 紅外焊接
熱板焊接和紅外焊接屬于塑料焊接的兩種不同工藝。在熱板焊接中，加熱板與零件接觸；而在紅外焊接中，紅外熱源則不與零件接觸。
兩種塑料焊接技術(shù)最近都獲得了巨大的發(fā)展，并且越來(lái)越受歡迎。通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)，對(duì)模具位置、速度、力和加速度實(shí)現(xiàn)了精確控制，同時(shí)加強(qiáng)了過(guò)程控制和數(shù)據(jù)采集功能。此外，設(shè)備型號(hào)多樣化，為工程師提供更多的選擇。
紅外焊接采用非接觸加熱方式，解決了熱板焊接的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，即避免塑料或者玻纖粘附到加熱板表面。當(dāng)然，兩種焊接工藝有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
兩種工藝通常用于需要高強(qiáng)度或者高密封性的產(chǎn)品，適合焊接大型、具有復(fù)雜幾何形狀的零件
1. 熱板 VS 紅外焊接過(guò)程和加熱原理
對(duì)于塑料焊接，有三種加熱方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱板焊接主要是熱傳導(dǎo)方式，而紅外焊接主要是熱輻射方式。
熱板焊接過(guò)程包含三個(gè)關(guān)鍵步驟：(1)熔化階段；(2)打開(kāi)階段：(3)密封階段。
操作順序如下：
操作員（或自動(dòng)化機(jī)械）將要焊接的上下零件分別裝入上下模具。焊接循環(huán)開(kāi)始，加熱板移動(dòng)到上下模具之間，然后上下模具移動(dòng)靠近加熱板，此時(shí)上下零件的焊接筋與加熱板接觸，塑料開(kāi)始熔化。（熔化階段）達(dá)到熔化結(jié)束條件后，上下模具退回，加熱板縮回。（打開(kāi)階段）上下模具壓緊，此時(shí)上下零件焊接筋相互接觸和擠壓，以實(shí)現(xiàn)焊接。（密封階段）當(dāng)塑料冷卻凝固后，上下模具打開(kāi)，取出焊接完成的組件。
紅外焊接與熱板焊接過(guò)程基本一致，差異在于熔化階段，紅外熱源與零件無(wú)接觸。
1.1 熱板加熱理論
采用熱傳導(dǎo)方式對(duì)焊接筋進(jìn)行加熱。熱量從加熱板出來(lái)，通過(guò)接觸直接傳導(dǎo)到焊接筋。從零件表面開(kāi)始，并逐漸傳導(dǎo)到焊接筋更深的位置。
在熔化階段，要優(yōu)化加熱時(shí)間，產(chǎn)生足夠的熱量，獲得最佳的材料軟化深度。在密封階段，要優(yōu)化塌陷距離和壓力，以獲得最佳的焊接強(qiáng)度和密封性能。
該塌陷深度稱(chēng)為熱影響區(qū)（HAZ），實(shí)際上可以在高倍放大鏡下測(cè)量。如果熱影響區(qū)太小，則意味著焊縫處擠出了過(guò)多的熔融材料，上下零件的冷態(tài)區(qū)域進(jìn)行了連接，會(huì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度弱和密封性能差。如果熱影響區(qū)太大，則在密封階段施加的壓力可能不足，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足。
1.2 紅外加熱理論
采用紅外熱輻射對(duì)焊接筋進(jìn)行加熱。紅外熱源發(fā)出的能量光波，在焊接筋表面被吸收。表面吸收的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)入焊接筋更深的位置。
紅外焊接過(guò)程中一個(gè)重要參數(shù)是加熱速率。熱塑性材料在加熱時(shí)熔化并流動(dòng)。如果加熱太快，材料則會(huì)降解，發(fā)生燃燒或炭化的危險(xiǎn)。許多塑料紅外焊接時(shí)，塑料表面吸收紅外熱量迅速，但是內(nèi)部熱量傳導(dǎo)卻較慢，容易導(dǎo)致塑料表面過(guò)熱降解。紅外焊接與熱板焊接一樣，必須保證焊接筋有足夠的材料軟化深度，才能獲得可靠的焊接性能。
材料吸收紅外輻射的速率與三個(gè)特性有關(guān)：吸收率，透射率和反射率。這些特性受材料類(lèi)型、顏色，填料和其它因素的影響。另外，紅外燈管輻射的能力（波長(zhǎng)和功率），也影響熱輻射傳遞的效率和加熱速率。
紅外光波到達(dá)塑料表面的能量密度也會(huì)影響加熱速率。該能量密度與兩個(gè)因素有關(guān)：(1) 紅外熱源與加熱表面的距離；(2) 紅外能量聚焦方式。
簡(jiǎn)而言之，有許多因素影響塑料吸收紅外的速度，關(guān)鍵是控制該速度避免材料過(guò)熱降解。
例如，具有高玻纖含量的黑色不透明材料，表面吸收紅外速度很快，但是材料內(nèi)熱傳導(dǎo)速度不快，因此容易導(dǎo)致外表面過(guò)熱。白色不含玻纖的材料，材料內(nèi)熱傳導(dǎo)速度大于表面紅外吸收速度，因此無(wú)表面過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)，其整個(gè)焊接時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。
2. 加熱階段的塌陷位移
熱板焊接和紅外焊接之間另一個(gè)區(qū)別，是在加熱階段焊筋是否有塌陷位移。
在熱板焊接的熔化階段，因?yàn)樯舷铝慵暮附钆c加熱板之間接觸，所以上下模具和熱板壓緊時(shí)，焊筋有一定的塌陷位移。這個(gè)位移對(duì)焊接是一件好事：對(duì)上下焊筋表面進(jìn)行精確整形，促使上下件焊筋更接近設(shè)計(jì)形狀且相互匹配。避免零件變形對(duì)焊接均勻性的影響。
因?yàn)樯舷潞附畋砻姹舜司鶆蛸N合，所以在密封階段施加焊接壓力時(shí)，整圈焊筋上壓力分布均勻。均布的焊接壓力對(duì)產(chǎn)生高強(qiáng)度、高密封性的焊縫至關(guān)重要。
采用紅外焊接時(shí)，焊接筋和紅外發(fā)射器之間沒(méi)有接觸。因此，無(wú)法校正焊接筋與設(shè)計(jì)的不一致性。采用紅外焊接時(shí)，對(duì)注塑件尺寸有更高的要求。
當(dāng)焊接筋是三維輪廓時(shí)，紅外發(fā)射器與焊筋表面的相對(duì)位置和距離尤為重要。為了確保加熱均勻，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接結(jié)果，必須嚴(yán)格評(píng)估模具設(shè)計(jì)能否均勻加熱輪廓表面。如果在熔化階段加熱不均勻，則在密封階段壓力分布不均勻，則會(huì)導(dǎo)致較差的焊接質(zhì)量。
3. 對(duì)內(nèi)部組件的影響
產(chǎn)品設(shè)計(jì)師應(yīng)該巧妙地將子組件固定在要焊接的組件中。無(wú)論這些內(nèi)部元件是電池、PCB板、過(guò)濾器、O形圈還是LED燈，工程師都應(yīng)注意焊接過(guò)程中產(chǎn)生的能量不會(huì)損壞它們。
在熱板焊接中，這些元件暴露于加熱板附近的時(shí)間非常有限，但是仍需要評(píng)估熱源與組件之間的距離。
在紅外焊接中，這些元件會(huì)長(zhǎng)時(shí)間暴露在高能量輻射下。這種暴露可能會(huì)損壞這些元件。因此，需要使用擋板來(lái)屏蔽輻射源，保證這些元件免受紅外能量的影響。
無(wú)論采用哪種工藝，都應(yīng)該進(jìn)行模擬測(cè)試，即模擬熱源和暴露時(shí)間來(lái)評(píng)估對(duì)元件的損傷。
4. 熱板焊接的缺陷
熱板焊接有一個(gè)最大的問(wèn)題是加熱板磨損和塑料粘接/堆積在加熱板上，有時(shí)粘接的塑料會(huì)掉落到產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生不合格件。紅外焊接非接觸式加熱則完美的解決了這個(gè)問(wèn)題。
盡管耐用的防粘涂層的發(fā)展已經(jīng)大大減少了熱板焊接的一些問(wèn)題。但是，帶涂層的加熱板仍必須進(jìn)行定期保養(yǎng)或更換。
伺服熱板焊接機(jī)也有助于解決粘結(jié)問(wèn)題。通過(guò)伺服控制，上下模具以很高的加速度從熱板上取出零組件。這樣可以最大程度地減少或消除熔化階段材料在熱板上的粘附和堆積。
5. 成本比較
5.1 電能消耗
紅外焊接工藝：只有在熔化階段，紅外發(fā)射器開(kāi)啟，其余階段紅外發(fā)射器關(guān)閉。在整個(gè)生產(chǎn)中，機(jī)器消耗的功率更少。
熱板焊接工藝：在整個(gè)生產(chǎn)中，加熱板都必須保持在程序設(shè)定的溫度。另外，在生產(chǎn)班次開(kāi)始時(shí)，需要對(duì)加熱板進(jìn)行預(yù)熱。因此，熱板焊接消耗的功率更大。
5.2 生產(chǎn)節(jié)拍
紅外焊接的周期時(shí)間更長(zhǎng)，典型周期時(shí)間為20到60秒。熱板焊接的周期時(shí)間較短，典型周期時(shí)間為8到30秒。
5.3 設(shè)備成本
兩種工藝的設(shè)備成本相當(dāng)。但是，根據(jù)紅外發(fā)射器的樣式和數(shù)量，紅外焊接設(shè)備可能更貴，比熱板焊接高30％至40％。需要注意的是，設(shè)備成本高度依賴(lài)于產(chǎn)品尺寸和幾何形狀等。
5.4 設(shè)備維護(hù)
紅外焊接設(shè)備需要每隔幾年更換一次紅外發(fā)射器。即便是標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射器，也可能比較昂貴。如果是定制的發(fā)射器，成本更高，且需要較長(zhǎng)的交貨時(shí)間。
熱板焊接設(shè)備上的加熱板內(nèi)置的加熱棒也需要更換，但其成本較低且更加耐用。加熱板上的不沾涂層的壽命和耐久性是有限的，因此必須定期表面噴涂。如果焊接材料中含有玻纖，加熱板容易磨損，現(xiàn)場(chǎng)必須準(zhǔn)備加熱板備件進(jìn)行更換。
6. 總結(jié)
紅外和熱板焊接都是可行且可靠的塑料焊接工藝，有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。和所有其它塑料焊接工藝一樣，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸、材料、焊接性能要求，生產(chǎn)節(jié)拍和穩(wěn)定性等角度來(lái)選擇何種工藝。強(qiáng)烈建議客戶(hù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，與具有適當(dāng)測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，以規(guī)避一些風(fēng)險(xiǎn)。
