塑料激光焊接加工技術(shù)和原理

1、塑料激光焊接加工技術(shù)內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，由 "深圳機(jī)械展（11萬m2 , 1100多家展商，超10萬觀眾）”收集整理！更多cnc加工中心、車銃磨鉆床、線切割、數(shù)控刀具工具、工業(yè)機(jī)器人、非標(biāo)自動(dòng)化、數(shù)字化無人工廠、精密測(cè)量、3D打印、激光切割、鈑金沖壓折彎、精密零件加工等展示，就在深圳機(jī)械展新技術(shù)為許多新產(chǎn)品的開發(fā)提供了現(xiàn)實(shí)操作性，如生物醫(yī)藥晶片大部分由塑料片組成。塑料片上有很多ym限度的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行封裝時(shí)就需要用到塑料激光精細(xì)焊接技術(shù)。激光焊接工藝之所以具有吸引力，是因?yàn)橹挥煤苌俚臒崃枯斎虢Y(jié)構(gòu)件，因此，只會(huì)產(chǎn)生可控的最小熔化量。其結(jié)果是可獲得很高的焊接強(qiáng)度，并且由于熔化物溢出或氣化很少而獲

2、得無可挑剔的外觀質(zhì)量。在很小的焊接面積上可以獲得很高的強(qiáng)度，使得這種工藝在操作空間受到限制的條件下，比黏接工藝更優(yōu)越。在新材料、新設(shè)備和新技術(shù)層出不窮的時(shí)代，人們不僅要了解激光焊接的特性、優(yōu)點(diǎn)和要求，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到此領(lǐng)域的諸多創(chuàng)新和未來趨勢(shì)，始終處于科技的最前沿。激光焊接技術(shù)的基本原理及其特點(diǎn)塑料的激光焊接是和對(duì)材料要求的提高相關(guān)聯(lián)的，這些新的要求通常很難完成。所謂的激光透射焊接一方面要求激光輻射能穿透零件，另一方面要求零件有很強(qiáng)的吸收性能。重要的是，在2個(gè)焊接件之間要避免產(chǎn)生裂縫。在激光焊接過程中，吸收性的零件升溫并且局部熔化，通過熱傳導(dǎo)將能量傳遞到透光的零件，在外部的壓力下2個(gè)零件結(jié)合在一起。

3、所吸收的近紅外線激光轉(zhuǎn)化為熱能， 將兩個(gè)部件的接觸表面熔化，最終形成焊接區(qū)。 這種焊接方法能夠形成超過原材料強(qiáng)度的焊接縫。目前國內(nèi)市場(chǎng)上普遍使用的塑料焊接技術(shù)主要有振動(dòng)摩擦焊接、熱板式塑料焊接及超聲波焊接等，主要用于連接敏感性塑料制品（含有線路板）、具有復(fù)雜幾何形狀的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品（醫(yī)藥設(shè)備）等。使用激光焊接熔接塑料部件，其優(yōu)點(diǎn)有：焊接縫尺寸精 密、不透氣及不漏水；焊接牢固，可以得到高精度的焊接件。在焊接過程中樹脂降解少、產(chǎn) 生碎屑少，不會(huì)出現(xiàn)飛邊，部件表面能夠精密連接；焊接設(shè)備不需要和被黏結(jié)的塑料零部件 相接觸，和其他熔接方法比較，大幅減少制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力；最小化熱

4、損壞和熱變形，可以將不同組成或不同顏色的樹脂黏結(jié)在一起；可焊接尺寸極小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，對(duì)有些復(fù)雜零件甚至可以進(jìn)行“穿透焊接”；無振動(dòng)技術(shù)能產(chǎn)生氣密性的或者真空密封結(jié)構(gòu)；能夠?qū)⒍喾N不同塑料焊接起來，而其他焊接方法有較大限制；設(shè)備自動(dòng)化程度高， 能方便用于復(fù)雜塑料零部件加工。擅長焊接具有復(fù)雜外形（甚至是三維）的制品；能夠焊接其他方法不易達(dá)到的區(qū)域。由于激光焊接具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以特別吸引那些尋求更清潔的方式來熔接復(fù) 雜部件的加工商，如含有線路板的塑料制品、醫(yī)療設(shè)備等。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焊接的程度。激光焊接

5、也極大地減小了制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力。比采用其它連接方式所產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力小，意味著制品或者裝置的內(nèi)部組件的老化速率更慢。這為將激光焊接使用于易損壞的制品（如電子傳感器）提供了機(jī)會(huì)。很多不同種類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1064nm。例如：激光焊接將能透過近紅外線激光的聚碳酸酯（PC）和30 %的玻纖增強(qiáng)的黑色聚對(duì)苯二甲酸丁二酯 （PBT）連接在一起。激光焊接沒有殘?jiān)膬?yōu)點(diǎn)也使它比較適合使用于以下制品：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。二極管激光器和釔鋁石榴石激光器用于塑料焊接 時(shí)，它們有良好的適應(yīng)

6、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，以獲得特殊使用所需要的高焊接功率。激光焊接方式對(duì)一些材料而言也存在部分局限：高性能聚合物，如PPS,聚（PEEK）和LCP ,由于這些材料對(duì)近紅外光的透射率很低，因而不適合激光焊接方式；當(dāng)兩種材料中都填充炭黑時(shí)，由于兩種材料都是黑色，它們是不能被焊接在一起的。這對(duì)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(gè)障礙。同樣，兩種對(duì)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(duì)近紅外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接。 對(duì)于醫(yī)藥、包裝和消費(fèi)品來說，因?yàn)檫@些產(chǎn)品都要求透明。由于許多礦物填

7、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(huì)超過這個(gè)限度。激光焊接技術(shù)最早出現(xiàn)在 20世紀(jì)70年代，但是由于費(fèi)用昂貴，無法和更早的塑料黏接技 術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)，如振動(dòng)焊接技術(shù)、熱板焊接技術(shù)。但是從20世紀(jì)90年代中期開始，由于激光焊接的設(shè)備費(fèi)用下降， 該技術(shù)才漸漸受到人們的歡迎。當(dāng)被黏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(shí)，激光焊接技術(shù)就能派上很大用場(chǎng)。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(duì)于那些很難使用其它焊接

8、方法黏接的復(fù)雜的幾何體，可以考慮使用激光焊接技術(shù)。激光加工新的使用領(lǐng)域塑料激光焊接技術(shù)是一種方興未艾的非接觸焊接技術(shù)。同其它焊接方法相比，它具有非接觸、不透氣、不漏水、焊接速度快、精度高、焊縫強(qiáng)度高、無飛邊、無殘?jiān)?、無振動(dòng)、熱應(yīng)力最 小、易于控制、靈活性好、適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。塑料激光焊接技術(shù)主要使用于醫(yī)療器械、 電子元器件、汽車零部件、紡織品、包裝工業(yè)。和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，激光加工技術(shù)已 成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，擁有普通加工技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。在過去幾十年中， 激光焊接在制造行業(yè)的使用范圍迅速擴(kuò)大，它已經(jīng)是一種成熟技術(shù)。焊接時(shí)，高能激光被聚焦于材料上，使焦點(diǎn)處的材料汽化蒸發(fā)形成一

9、個(gè)深而窄的入孔，孔隨著激光光束在工件表面移動(dòng)，這就是所謂的“鑰匙孔”深熔焊。在焊接過程中，惰性氣體（通常是氦和氮）從噴嘴射出覆蓋在工件表面以防止氧化。在大功率激光焊接設(shè)備中，C02激光器是最常用的。這種激光器發(fā)出光的波長為 10.6 m。C02激光器的混合氣體主要是氦（保證產(chǎn)生熱量的移動(dòng)傳 輸）、C02（激光活性介質(zhì)）和氮（氣體放電產(chǎn)生激發(fā)所必需的能量 ）。C02激光器在用于薄壁結(jié) 構(gòu)的高速焊接時(shí)，成本效益尤其突出，如轎車車身的焊接。這種類型激光器的缺點(diǎn)是需要一 個(gè)非常復(fù)雜精巧的系統(tǒng)將激光束發(fā)送到工件上。這也意味著這套系統(tǒng)的工作平臺(tái)缺乏靈活性。如果需要經(jīng)過很多反光鏡來使激光束到達(dá)指定位置，那么

10、此時(shí)激光柬的品質(zhì)也將降低。在最近幾年，我們已看到了一些新產(chǎn)品，像二極管泵激式Nd : YAG激光器、二極管直接激發(fā)式激光器，而且它們已開始被使用于商業(yè)產(chǎn)品。塑料的激光焊接技術(shù)主要用于普通焊接技術(shù)難以適應(yīng)的塑料制品（如高密度線路板卜形狀復(fù)雜的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品（如電子傳感器等）等。激光便于計(jì)算機(jī)控制，采用光纖激光器輸出激光柬可使激光靈活地到達(dá)零件各個(gè)微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域。傳統(tǒng)焊接技術(shù)無法焊接的異型塑料也有機(jī)會(huì)加以良好焊接。在高檔轎車的保險(xiǎn)杠上也使用激光焊接技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是輸入的熱量較低、外觀好，并可獲得很高的焊接強(qiáng)度。保險(xiǎn)杠材料大都采用PP , EPDM和1

11、0 %的滑石粉共混物以及 PC, PBT等。以前采用超聲波焊接將停車距離傳感器的適配器焊接到已經(jīng)上好漆的保險(xiǎn)杠上，然而在強(qiáng)度和外觀損傷之間難以達(dá)到兩全齊美。采用激光透射焊接工藝焊接保險(xiǎn)杠的傳感器適配器，生產(chǎn)的熔化物很少，因此，沒有熔化物溢出。在具有良好強(qiáng)度的同時(shí)，外觀優(yōu)美，非常接近 黏接的部件口。不過激光焊接的投資費(fèi)用目前還較高，只有在要求較高時(shí)使用才合理。保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的未來趨勢(shì)是材料的壁厚越來越薄，這特別適于采用激光技術(shù)。除了對(duì)材料和加工的新要求之外，采用激光工藝使焊縫的形狀和位置有了更大的自由度。由于單位焊接強(qiáng)度一般高達(dá)60MPa，并且安裝空間將更狹窄，因此為激光焊接的使用創(chuàng)造了很好的

12、機(jī)會(huì)。近年來，激光技術(shù)已經(jīng)廣泛使用于高密度印刷線路板微通道打孔及芯片封裝設(shè)備中。最新的世界微通道打孔信息顯示，每年有超過300000萬m2的高密度多層印刷線路板是用激光來 打孔的。目前市場(chǎng)上主要的三種雙頭激光打孔設(shè)備：雙頭CO2激光系統(tǒng)、雙頭 UV激光系統(tǒng)、混合激光系統(tǒng)（UV和CO2）。有兩種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的激光技術(shù)用于PCB板的微通道打孔：CO2激光，波長在遠(yuǎn)紅外區(qū)域，打孔直徑大于100 ym ; W激光波長在紫外區(qū)域，廣泛用于打孔的直徑小于 100 ym，甚至孔徑縮小到小于 50 ym的情況。隨著塑料在汽車、醫(yī) 療設(shè)備及電子等行業(yè)的零部件設(shè)計(jì)、制造上日趨廣泛使用， 大功率光纖激光塑料焊接系統(tǒng)

13、可完全滿足塑料制品的加工過程中快速、有效、干凈的塑料焊接方式。光纖激光焊接塑料技術(shù)能形成精密、牢固和密封（不透氣和不漏水）的焊接，樹脂降解少，產(chǎn)生的碎屑少；易于控制， 具有良好的適應(yīng)性， 可焊接尺寸小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。極大地 減小了制品的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力。能夠?qū)⒃S多不同種類的材料焊接在一起。激光塑料焊接技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了一定的使用，我國在這方面尚是空白。激光焊接塑料的工藝和設(shè)備塑料激光焊接常用方法有：激光束沿著焊縫處快速掃描，達(dá)到焊接的目的。通過光學(xué)元件將激光束整形，同時(shí)在焊縫處產(chǎn)生熱量。 照射掩膜焊接，激光束僅加熱制品上沒有被掩膜遮住 的部分，可以快速焊接復(fù)雜的焊縫。激光束固

14、定，塑料工件置于受程序控制的多維可移動(dòng)的 工作臺(tái)上。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(gè)待焊接塑料零部件夾在一起，然后將一束短波紅外區(qū)的激光定向到待黏結(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。過去由于兩個(gè)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的；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，利用透射技術(shù)將兩個(gè)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

15、種類型的材料焊接 在一起。塑料激光焊接有幾種不同的焊接方式：(1) 順序型周線焊接激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動(dòng)并使其熔化，將塑料層逐漸黏結(jié)在一起；或者將被夾層沿著固定的激光束移動(dòng)達(dá)到焊接的目的。(2) 同步焊接來自多個(gè)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(gè)輪廓同時(shí)熔化并黏結(jié)在一起。(3) 準(zhǔn)同步焊接該技術(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10m/s的速度)，并沿著待焊接的部位移動(dòng)，使得整個(gè)焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。(4) 掩模焊接激光束通過模板進(jìn)行定位、熔化并黏結(jié)塑料，該模板只暴露出下面塑料層的一個(gè)很小、精確的焊接部位。使用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)小

16、于10呵的高精度焊接。塑料的激光焊接越來越成為一種規(guī)?；纳a(chǎn)方式。如果用戶對(duì)焊縫的質(zhì)量有特殊的要求，他們更樂意采用這種仍然還比較新的技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)連接工藝(比如超聲波、振動(dòng)和熱風(fēng)工具焊接)，激光焊接工藝已經(jīng)逐漸取得其市場(chǎng)地位。用戶也從它的眾多優(yōu)點(diǎn)中獲益。有很多方式可將激光輻射使用到部件上，相應(yīng)地產(chǎn)生了不同的焊接概念。除了輪廓焊接、同步和準(zhǔn)同步焊接外，還有其他方式。多種焊接方式和焊接概念的出現(xiàn)，使得用戶可以最佳的方式實(shí)現(xiàn)其特定使用的需求。和其他連接方法相比， 塑料激光焊接不光在技術(shù)上是創(chuàng)新的，而且對(duì)于高強(qiáng)度焊縫而言還是一種很高效的方法。投資成本在一定程度上高于其他方法，但是因?yàn)榫S護(hù)成本低，不

17、需要使用其他部件，以及激光系統(tǒng)在使用上的靈活性，很快就會(huì)收回投資。至少焊縫的高質(zhì)量，包括高密封性、焊接過程的可重用性，即可保證經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。激光的波長在金屬材料的激光焊接工藝中，一般采用YAG或者CO2激光作為光源，塑料焊接也不例外。隨著半導(dǎo)體材料工業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體激光作為光源也漸漸得到了使用。三者之中，由于易于獲得較大功率， 前兩者在傳統(tǒng)的材料加工業(yè)中使用較為普遍；而由于塑料激光焊接對(duì)光源功率要求不高，但對(duì)可控性和易操作性要求較高，因此，半導(dǎo)體激光在塑料焊接中也有用武之地。二極管激光器產(chǎn)生的波長范圍在8001000nm 之間，這對(duì)焊接來說是效率最高的能量區(qū)域。它結(jié)構(gòu)緊湊，可以很方便安裝在自動(dòng)化設(shè)備上。塑料焊接有時(shí)也使用 CO2激光器。它能產(chǎn)生1