激光塑料焊接技術(shù)

自從激光問世 ，人們就開始研究如何把激光作為工具來對材料進(jìn)行加工。早在上個世紀(jì)70年代，汽車工業(yè)就開始嘗試用激光來進(jìn)行材料加工。在工業(yè)上第一個用激光進(jìn)行塑料焊接實際應(yīng)用的是1998年Marquardt公司用半導(dǎo)體激光器批量制造電子汽車鑰匙，黑色聚合物 (PA)材料的鑰匙蓋子被焊接到同樣是黑色但對激光波長透明的PA鑰匙殼上。

根據(jù)分子結(jié)構(gòu)塑料可分為三種：熱塑材料，熱固材料和合成橡膠。目前對熱塑材料激光焊接的研究和應(yīng)用比較多，下面我們就從三個方面簡單講述針對熱塑材料的激光焊接技術(shù)和研究進(jìn)展。

一. 激光焊接的流程和方法

激光對熱塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法對被焊接的兩種材料性質(zhì)有一定的要求，也就是上面的熱塑層對采用的激光波長是透明的，而下面的熱塑層能吸收激光能量。激光束透過透明的上層材料到達(dá)下層材料，下層材料的表面因吸收激光能量而熔化，此時在一定的壓力下兩種材料通過分子聯(lián)接而被焊接在一起。由于激光是非機械接觸的聚焦在下層材料的表面，激光引起的熱效應(yīng)是局域的，所以此方法可避免對被焊接材料的機械和熱損傷。目前熱塑材料總加工的20%左右是基于激光焊接的。

根據(jù)不同的焊接任務(wù)和要求激光焊接的流程大致有以下幾種。

輪廓焊接是最簡單，目前使用最廣的焊接流程。在焊接時激光束通過光學(xué)系統(tǒng)和振鏡在被焊接的物體上移動或者激光束靜止而被焊接物體移動。激光與被焊接物體之間的相互作用時間取決于光束焦點尺寸和移動速度，既而影響焊接時間和效果。輪廓焊接是一種非常靈活的焊接流程，可實現(xiàn)復(fù)雜的三維焊接，在包裝行業(yè)里有廣泛的應(yīng)用。

掩模焊接是一種借助掩模，基于輪廓焊接或著同步焊接方法的流程，其原理與芯片制造上的光刻技術(shù)相似。這種流程主要使用在復(fù)雜的幾何焊接圖案上，最小接縫寬度大于100μm。掩模往往是由薄片或金屬化的玻璃制成。由于制作掩模比較繁瑣，所做的掩模只針對一個焊接幾何圖案，所以掩模焊接往往缺乏靈活性，但適合大批量的焊接加工。

準(zhǔn)同步焊接是一種把輪廓焊接和同步焊接結(jié)合起來的流程。激光束通過振鏡以極快的最高達(dá)10m/s的速度在焊縫上移動并且多次重復(fù)掃描，使得整個焊接區(qū)域同時熔化，效果與同步焊接相似。通過同步熔化過程使得準(zhǔn)同步焊接和同步焊接方法一樣適合于具有大縫隙的兩個相鄰部件的搭橋焊接。

在同步焊接中激光束同時照射焊接區(qū)域，從而明顯減少了焊接處理時間，并允許搭橋焊接具有大縫隙的兩個相鄰部件。與輪廓焊接相比由于更長的激光作用時間使通過同步焊接方法焊接的部位更加牢靠。

二. 焊接塑料的顏色

激光塑料焊接其中的一個研究課題就是兩個被焊接部件的顏色搭配，這是由所采用的激光透射焊接的原理所決定的。下圖顯示了因材料顏色的不同而造成的焊接難易程度。首先成功實現(xiàn)的是透明色–黑色材料的激光焊接。除此之外黑色–黑色材料的焊接也已廣泛使用。

由于組成塑料的高分子的本怔吸收帶通常位于紫外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域，所以最初只有CO2激光器被用于激光焊接的研究。但是通過攙雜和添加色素可極大地改變塑料的光學(xué)吸收特性，從而使塑料在可見光和近紅外區(qū)域的吸收大大增強，由原本激光透明的材料變成激光吸收材料，這樣傳統(tǒng)的Nd: YAG固體激光器(1064nm和倍頻532nm)和大功率GaAs半導(dǎo)體激光器(800nm-1000nm)以及新型光纖激光器都可以被用作激光焊接的光源。色素攙雜同時也改變了原來塑料焊接的特性和參數(shù)，使之更適合于某種特殊應(yīng)用。

三. 被焊接材料的搭配

與材料顏色搭配幾乎同時進(jìn)行研究的是焊接材料的搭配。目前在工業(yè)上采用激光焊接的材料大部分是熱塑材料(Thermoplastic, TP)，構(gòu)成TP–TP焊接。由于采用的激光透射焊接是非接觸性的，所以這些熱塑材料也可以與其它材料焊接到一起，比如同樣具有熱塑性的合成橡膠(Thermoplastic Elastomer, TPE)。具有熱塑性的合成橡膠因為同時具有熱塑材料的熱塑性和合成橡膠的彈性和伸縮性，而它的焊接處理溫度和冷卻時間等參數(shù)又與熱塑材料非常相似，所以用激光透射焊接的方法可容易實現(xiàn)TP–TPE焊接。由于TPE的手感和摩擦性好，所以TP–TPE焊接在汽車工業(yè)上的第一個應(yīng)用就是制造汽車方向盤。此外 ，TPE和TPE也可通過激光透射焊接的方法被焊接到一起，組成TPE– TPE焊接。

目前材料搭配研究的一個最新方向是實現(xiàn)塑料與金屬和陶瓷材料的激光焊接。比如說塑料通過金屬被激光間接地加熱，接觸面熔化，然后包圍金屬，和金屬組成一個非常牢固的聯(lián)接。