激光焊接技術(shù)
編輯基本介紹
當(dāng)被粘接的塑料零部件是非常精密的材料(如電子元件)或要求無菌環(huán)境(如醫(yī)療器械和食品包裝)時，激光焊接技術(shù)就能派上很大用場。激光焊接技術(shù)速度快，特別適用于汽車塑料零部件的流水線加工。另外對于那些很難使用其它焊接方法粘接的復(fù)雜的幾何體，可以考慮使用激光焊接技術(shù)。
優(yōu)點(diǎn)
激光加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中有：
焊接設(shè)備不需要和被粘結(jié)的塑料零部件相接觸。
速度快。
設(shè)備自動化程度高，很方便的用于復(fù)雜塑料零部件加工。
不會出現(xiàn)飛邊。
焊接牢固。
可以得到高精度的焊接件。
無振動技術(shù)。
能產(chǎn)生氣密性的或者真空密封結(jié)構(gòu)。
最小化熱損壞和熱變形。
可以將不同組成或不同顏色的樹脂粘結(jié)在一起。
優(yōu)勢
激光焊接應(yīng)用于塑料部件熔接的優(yōu)點(diǎn)包括：焊接精密、牢固和密封不透氣和不漏水，焊接過程中樹脂降解少、產(chǎn)生的碎屑少，制品的表面能夠在焊縫周圍嚴(yán)密地連接在一起。激光焊接沒有殘?jiān)膬?yōu)點(diǎn)，使它更適用于國家食品藥品監(jiān)督管理局管制的醫(yī)藥制品及電子傳感器等。
易于控制，可焊接尺寸小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。由于激光便于計(jì)算機(jī)軟件控制，而且光纖激光器輸出可靈活地達(dá)到零件各個細(xì)微部位，采用激光焊接能夠焊接其它焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域，焊接具有復(fù)雜外形、甚至是三維幾何形狀的制品。
與其他熔接方法比較，激光焊接大幅減少制品的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力。這意味著制品或者裝置內(nèi)部組件的老化速度更慢，可應(yīng)用于易損壞的制品。能夠焊接許多種類不同的材料。例如，能將透過近紅外激光的聚碳酸脂，玻纖增強(qiáng)的黑色聚對苯二甲酸丁二脂連接在一起，而其它的焊接方法根本不可能將兩種在結(jié)構(gòu)、軟化點(diǎn)和增強(qiáng)材料等方面如此不同的聚合物連接起來。
工藝
最常用的激光焊接形式被稱為激光透射焊接。該技術(shù)的過程為：首先將兩個待焊接塑料零部件夾在一起，然后將一束短波紅外區(qū)的激光定向到待粘結(jié)的部位。激光束通過上層透明材料，然后被下層材料吸收。激光能量被吸收使得下層材料溫度升高，熔化上層以及和下層的塑料。上層材料可以是透明的或者是有顏色的，但是必須能夠保證有足夠的激光通過。
圖 1: 激光透射焊接的工作示意圖
在過去由于兩個透明的塑料層都不能吸收足夠的激光能量，利用透射技術(shù)將它們焊接在一起是不可能；同樣由于光束不具備足夠的穿透能力，達(dá)到加熱焊接接觸面的作用，利過透射技術(shù)將兩個黑色層的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)可以將這兩種類型的材料焊接在一起。
設(shè)備
激光透射焊接技術(shù)主要使用兩類激光設(shè)備：一個是摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3+:YAG)，另一個是半導(dǎo)體二極管。Nd3+:YAG激光的波長為1064納米(nm)，容易被含有特殊填料或顏料的塑料吸收。可以通過光導(dǎo)纖維將激光很方便的傳送到激光頭，尤其是在使用自動化裝置的焊接技術(shù)。
二極管激光器產(chǎn)生的波長范圍在800-1000nm之間，這對焊接來說是效率最高的能量區(qū)域。它結(jié)構(gòu)緊湊，可以很方便的安裝在自動化設(shè)備上。二極管激光的吸收特征和Nd3+:YAG的吸收特征類似。
塑料焊接有時也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能產(chǎn)生10600nm的光波，這同Nd3+:YAG和二極管激光器產(chǎn)生激光相比，更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能沒有其它兩種激光器產(chǎn)生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。
激光類型 CO2 Nd3+:YAG 二極管
波長 (um) 10.6 1.06 0.8-1.0
最大能量 (W) 60,000 6,000 6,000
效率 10% 3% 30%
透射光束 鏡面反射 光纖及鏡面 光纖及鏡面
最小的光點(diǎn)大小(mm) 0.2-0.7(直徑) 0.1-0.5(直徑) 0.5x0.5
表 1: 市場上常用的塑料激光加工技術(shù)對比
使用Nd:YAG或二極管激光的透射焊接技術(shù)，可以以超過20米/分的線速度將1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接薄膜的速度可以高達(dá)750米/分。
材料
幾乎所
可用于激光焊接的聚合物有的熱塑性塑料和熱塑性彈性體都可以使用激光焊接技術(shù)。常用的焊接材料有 PP、PS、PC、ABS、聚酰胺、PMMA、聚甲醛、PET以及PBT等。而其它的一些工程塑料如聚苯硫醚PPS和液晶聚合物等，由于其具有較低的激光透過率而不太適合使用激光焊接技術(shù)。因此常常在底層材料上加入炭黑，以便使其能吸收足夠能量，從而滿足激光透射焊接的要求。
可用于激光焊接的聚合物圖 2：可用于激光焊接的聚合物
未填充的或者玻纖增強(qiáng)的聚合材料都可以用于激光焊接。但是過高的玻纖含量會散射發(fā)出得IR激光，降低光束通過聚合物的穿透力。有色塑料也可以用于激光焊接，但是隨著顏料或染料含量的增加，激光束的通過塑料的穿透能力會有所下降。
焊接類型
塑料激光焊接有幾種不同的焊接方式。
順序型周線焊接(contour welding)：激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動并使其熔化，將塑料層逐漸的粘結(jié)在一起；或者將被夾層沿著固定的激光束移動達(dá)到焊接的目的。
同步焊接(simultaneous welding)：來自多個二極管激光束被引導(dǎo)到沿著焊接層的輪廓線上，并熔化塑料，從而使得整個輪廓同時熔化并粘結(jié)在一起。
準(zhǔn)同步焊接(Quasi-simultaneous welding)： 該技術(shù)綜合了上述兩種焊接技術(shù)。利用反射鏡產(chǎn)生高速激光束(至少10 米/秒的速度)，并沿著待焊接的部位移動，使得整個焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。
圖 3: 順序型周線焊接、同步焊接和準(zhǔn)同步焊接技術(shù)（左到右）
Globo焊接(GLOBO Welding)是沿著產(chǎn)品的輪廓周線進(jìn)行焊接的，它是瑞士萊丹（Leister）公司的專利技術(shù)。激光束經(jīng)由氣墊式，可無摩擦任意滾動的玻璃球點(diǎn)狀式的聚焦于焊接界面，該玻璃球不僅僅進(jìn)行聚焦而且也充當(dāng)機(jī)械夾緊夾具。當(dāng)該球在表面上滾動時，為接合面提供了持續(xù)壓力。這就確保了在激光加熱材料的同時有壓力夾緊。該玻璃球取代了機(jī)械夾具，同時擴(kuò)大了激光焊接在連續(xù)三維焊接中的應(yīng)用范圍。
應(yīng)用
在汽車工業(yè)，激光焊接塑料技術(shù)可用于制造很多汽車零部件，如燃油噴嘴、變檔機(jī)架、發(fā)動機(jī)傳感器、駕駛室機(jī)架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應(yīng)用還包括進(jìn)氣管光歧管的制造以及輔助水泵的制造。
圖 4
: 激光焊接技術(shù)加工的汽車前燈，使用了可以聚焦激光同時還起到夾持工具作用的玻璃球面
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)可用于制造液體儲槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術(shù)袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。
圖 5: 激光焊接技術(shù)制造的微流體器件，利用了該技術(shù)的高精度的特點(diǎn)
激光焊接是一項(xiàng)無振動技術(shù)，因此它特別適合用于加工精密的電子元器件。通過激光技術(shù)制造的器材有鼠標(biāo)、移動電話、連接器件等。激光技術(shù)制造的汽車電子產(chǎn)品有自動門鎖、無鑰匙進(jìn)出設(shè)備以及傳感器等。
激光還可以將塑料薄膜焊接在一起，它沿著薄膜的邊緣移動，通過粘接作用形成一個包裝用的封體結(jié)構(gòu)。操作過程可以完成的非常快
。根據(jù)TWI公司的資料，它使用100W的二氧化碳激光可以以100米/分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。
圖 6:激光焊接
兩聚乙烯薄膜的顯微圖象
最新發(fā)展
編輯在激光技術(shù)發(fā)展的早期階段，該技術(shù)將兩個透明的塑料焊接在一起是不可能的。現(xiàn)在在兩層塑料之間的接觸處紅外吸收涂料的作用下，可以實(shí)現(xiàn)兩種透明材料之間的粘結(jié)。涂料在激光的照射下發(fā)熱并熔化相鄰層的材料，進(jìn)而達(dá)到粘結(jié)的目的。
圖 7: 
塑料表面接觸處的激光吸收涂料發(fā)熱并連接通常不可焊接的透明材料層
兩層黑色塑料在過去用激光來焊接也是不可能的，這是因?yàn)榧す饽芰吭诘竭_(dá)焊接界面之前就已經(jīng)被吸收。但現(xiàn)在我們可以在上層塑料中加入特殊的顏料，使其在肉眼看起來是黑色的，但對于激光卻是透明的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)黑色材料的焊接。顏料能夠保證足夠的激光能量透過上層材料以便在兩層接觸面上產(chǎn)生熔化。
結(jié)論
編輯激光焊接塑料技術(shù)是很專業(yè)化的粘結(jié)技術(shù)，當(dāng)要求高速焊接以及要求精密焊接或無菌條件焊接時，這就可以發(fā)揮出激光焊接最好的優(yōu)勢。該技術(shù)曾經(jīng)受制于價(jià)格因素，但是隨著設(shè)備價(jià)格的不斷下降，已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競爭力。激光焊接技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)療、汽車、電子和包裝等領(lǐng)域。由于助劑和涂料技術(shù)的發(fā)展克服了激光焊接技術(shù)早期應(yīng)用的限制條件，所以激光焊接技術(shù)的深入廣泛使用在很大程度上要?dú)w功于它們的進(jìn)步。
利弊分析
編輯激光焊接技術(shù)是用通常存在于電磁光譜紅外線區(qū)的集束強(qiáng)輻射波，熔化接頭區(qū)的塑料。所用激光的類型和塑料的吸收特性決定可能焊接的程度。
激光焊接也極大地減小了制品的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力。比采用其它連接方式所產(chǎn)生的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力小，意味著制品或者裝置的內(nèi)部組件的老化速度更慢。這個特點(diǎn)為將激光焊接應(yīng)用于易損壞的制品(如電子傳感器)提供了一個機(jī)會。
很多種類不同的材料能夠用激光焊接在一起，激光焊接使用近紅外線激光(NIR)，波長在810到1064納米。首先，兩種制品在低壓力下被夾緊在一起，近紅外線激光穿過一個制品(近紅外線激光透射)然后被另外一個制品吸收(近紅外線激光吸收)。吸收近紅外線激光的制品將光轉(zhuǎn)化為熱，然后在制品的接觸面處熔化，同時熱也傳導(dǎo)到透射近紅外線激光的制品的表面，形成一個焊接區(qū)。焊接縫的強(qiáng)度能夠超過原始材料的強(qiáng)度。舉例說，激光焊接將能透過近紅外線激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纖增強(qiáng)的黑色聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)連接在一起。其它的焊接方法不能將兩種在結(jié)構(gòu)、軟化點(diǎn)和增強(qiáng)材料等方面如此不相同的聚合物連接起來。激光焊接最擅長于焊接具有復(fù)雜外形(甚至是三維的)的制品，能夠焊接其它焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域。
塑料激光焊接技術(shù)在各個領(lǐng)域，例如在國防和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成熟應(yīng)用有助于使它應(yīng)用于塑料連接方面。自90年代中期以來，二極管型和釔鋁石榴石型激光器已經(jīng)向著有利于塑料連接的方向發(fā)展。這些激光器的功率顯著增大，而它們的成本在過去五年內(nèi)下降了大約90%。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)塑料能有效透射二極管激光器(810到940納米)和釔鋁石榴石激光器(1064納米)所發(fā)射的激光或者接近它們波長帶的激光。(二氧化碳激光器發(fā)射的激光容易被塑料吸收，這將導(dǎo)致塑料燃燒的危險(xiǎn))。
激光焊接沒有殘?jiān)膬?yōu)點(diǎn)也使它比較適合應(yīng)用于以下制品∶食品及藥物管理局(FDA)管制的醫(yī)藥制品，汽車制品和其他的電子傳感器。
已經(jīng)證明，二極管激光器和釔鋁石榴石激光器用于塑料焊接時，它們有良好的適應(yīng)性。例如，可以將二極管激光排列起來以生成復(fù)雜的線狀焊縫。還可以將二極管激光發(fā)射器組合堆積起來，以獲得特殊應(yīng)用所需要的高焊接功率。
激光焊接方式對一些材料而言也存在著部分局限∶一是高性能聚合物，如PPS、聚(PEEK)和LCP，由于這些材料對近紅外光的透射率很低，因而不適合激光焊接方式；另一個不足之處是當(dāng)兩種材料中都填充炭黑時，由于兩種材料都是黑色，它們是不能被焊接在一起的。這對于汽車外殼下的設(shè)備和其他黑色的裝置采用激光焊接來說是一個障礙。現(xiàn)在很多材料公司也推出了激光可焊接的黑色塑料，比如，激光可焊記得黑色PC，黑色PA66等等。
同樣，兩種對近紅外線激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于對近紅外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接起來。這對于醫(yī)藥，包裝和消費(fèi)產(chǎn)品來說是一個很大的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@些產(chǎn)品都要求透明。
最后，由于許多礦物填充的化合物能夠吸收近紅外線激光，所以通常不適合用激光焊接。高填充的玻纖增強(qiáng)物能夠改變近紅外線激光的透射率，降低焊接效率，不過原料供應(yīng)商的配方中的玻纖含量通常不會超過這個限度。
焊接設(shè)備
編輯目前國內(nèi)塑料激光焊接設(shè)備才開始起步，大多處于摸索階段。比如國內(nèi)最早生產(chǎn)激光焊接機(jī)就推出了采用半導(dǎo)體激光器做為光源的塑料焊接機(jī)，根據(jù)客戶的工件形態(tài)，分別有：
1、 基于振鏡運(yùn)動方式的塑料激光焊接機(jī)，主要用于平面焊接；
2、 基于電動工作臺三維運(yùn)動的塑料激光焊接機(jī)，主要用于三維曲線的焊接。
同時結(jié)合客戶產(chǎn)品特點(diǎn)定制各種工裝夾具，選擇合適的激光添加劑配方，為客戶提供交鑰匙工程。
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