1、 塑料激光焊接工藝1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應(yīng)用。 三者之中，由于易于獲得較大功率，前兩者在傳統(tǒng)的材料加工工業(yè)中的使用較為普遍；而由于塑料激光焊接對(duì)光源功率大小要求不高，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很有用武之地。 CO2、Nd:YAG和半導(dǎo)體激光三種光源的波長、最大功率、最小聚焦直徑等參數(shù)的典型值如下所列： 1CO2激光：波長較長，為10.6微米，屬遠(yuǎn)紅外波段，一般情況下塑料材料對(duì)這一波長的吸收情況好。目前最大輸出功率達(dá)50kW，轉(zhuǎn)化

2、效率約 10，最小聚焦直徑約0.20.7mm。焊接塑料時(shí)熱作用區(qū)深度較深，適合于需要焊接較厚的塑料材料。CO2激光不能用光纖傳輸，只能$&* 透鏡反射鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)來構(gòu)建剛性傳輸光路，從而影響激光頭的操作性。 2Nd:YAG激光：波長較短，為1.06微米，屬近紅外區(qū)波長，不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)化效率為3，最小聚焦直徑 0.10.5mm。Nd:YAG激光的特點(diǎn)是聚焦區(qū)域小，可以方便地通過光纖傳輸來構(gòu)建光路，可將激光頭裝到機(jī)器人手臂上，實(shí)現(xiàn)焊接過程的數(shù)控和精密自 動(dòng)化；另一方面可以較好地透過上層的待焊接材料，到達(dá)下層待焊接材料或者中間層而被吸收，從而實(shí)現(xiàn)焊接。 3半導(dǎo)體激

3、光：波長0.81.0微米，最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)化效率30，最小聚焦直徑0.5mm。由于其輸出輸出功率較小，適用于焊接激光功率要求較低的場(chǎng)合,如小型塑料器件的精密焊接。半導(dǎo)體激光能量轉(zhuǎn)化效率高,易于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化和便攜化。 2塑料材料 能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。 塑料激光焊接技術(shù)對(duì)被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對(duì)激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對(duì)光波的透過性好，尤 其在對(duì)兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。目前能夠使用激光焊接的單種成分塑料包括： PMMA聚甲基丙烯

4、酸甲脂（有機(jī)玻璃），PC塑料，ABS塑料, LDPE低密度聚乙烯塑料，HDPE高密度聚乙烯塑料，PVC聚氯乙稀塑料，Nylon 6尼龍6，Nylon 66尼龍66，PSPS樹脂，等等。 上述各種塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡膠、纖維甚至紡織物都可以作為被焊接的對(duì)象。由于激光焊接具有傳統(tǒng)焊接不具備的熱作用區(qū)小、控制精確容易的特點(diǎn)，因此上述各種單體材料之間也可以進(jìn)行焊接。 3吸收劑 吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。如前所述，塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。 讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。塑料自身能夠以

5、較高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收劑的情況下，塑料對(duì)光波的吸收性不是很 好，吸收效率很低，融化效率不理想。 通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化更快、效果更好。一些其他顏色的染料也能夠起到相同的吸收光波的效果。 英國焊接學(xué)會(huì)（TWI，The Welding Institute）研制出了一種對(duì)可見光透明的染料。用這種染料做吸收劑，可以得到透明的塑料焊縫。碳黑在吸收紅外波段的激光光波的同時(shí)，也吸收可見光 波，這也是碳黑看起來為黑色的原因，用碳黑作吸收劑會(huì)使激光焊接焊縫顏色變深，與母材顏色不同。TWI研

6、制出的對(duì)可見光透明的染料只吸收紅外波段的電磁 波，不吸收可見光，因此看起來焊縫仍然是透明的。 很多情況下，塑料焊接要求成品美觀、精致，因此相比碳黑，對(duì)可見光透明的染料吸收劑非常受青睞。 添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光 光波通過；二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化；三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印 刷上吸收劑。 4其他參數(shù) 與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越

7、深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來選擇激光功率。 塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以達(dá)到750m/min。 5軟件 激光焊接系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)軟件的作用是對(duì)激光頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度、激光功率等一般性的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化控制，以達(dá)到提高加工速度和精度、改善加工 質(zhì)量的目的，這些與傳統(tǒng)的激光加工中的軟件控制并沒有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收劑的特殊作用，塑料激光焊接控制系統(tǒng)和加工系統(tǒng)又有其自身的特 色。 英國TWI研究所結(jié)合其ClearWeld塑料焊接工藝，設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算預(yù)測(cè)吸收

8、劑用量及用法的軟件。根據(jù)不同材料的厚度、顏色、吸收比率等，結(jié)合激光器的功率、光波透過率等參數(shù)，在焊接前用軟件計(jì)算吸收劑的用量和添加方法，再根據(jù)預(yù)測(cè)的用量添加吸收劑。 提供給軟件的輸入數(shù)據(jù)包括：塑料材料特性：種類、厚度、顏色；焊接數(shù)據(jù)：焊接區(qū)域形狀復(fù)雜程度、寬度、焊接速度；激光器特性：功率、紅外光透過率等。 經(jīng)過計(jì)算和篩選，軟件給出的輸出結(jié)果包括：吸收劑種類、用量及要求的添加方式的列表，焊接過程中激光光波在上層材料中的能量損失。 軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際焊接測(cè)量的結(jié)果很接近，圖6為焊接后生成的熱影響區(qū)（HAZ）大小的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比，所用塑料材料為PMMA。 可見，軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常

9、接近。由于塑料激光焊接的規(guī)律性較強(qiáng)，有較好的可預(yù)測(cè)性，因此，采用軟件計(jì)算篩選方法預(yù)測(cè)結(jié)果是非常有效和可行的。塑料的激光焊接在汽車工業(yè)中，塑料的使用日益增加。同樣的，材料和元部件的整合意味著塑料的焊接方法日漸成為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。 已有的技術(shù)如超聲波焊接，熱板焊，以及粘合技術(shù)各有所長，但是這些技術(shù)存在不少局限性，如在加工過程，可焊接材料方面有限制，費(fèi)用昂貴，或是需要 使用專門工具。然而，針對(duì)這些技術(shù)的限制，出現(xiàn)了一種新型技術(shù)。高功率二極管激光器的商業(yè)化和傳輸焊接技術(shù)的發(fā)展從根本上改善塑料焊接的能力，它已發(fā)展到 有可能促使激光焊接成為塑料加工的關(guān)鍵加工技術(shù)。 高功率二極管激光器 高功率二極管激光器是

10、基于固態(tài)技術(shù)而發(fā)展起來的，因此，它們可靠性好，典型的最少設(shè)計(jì)使用壽命在10,000工作時(shí)左右。它們也對(duì)已有的激光器類型帶來了進(jìn)一步的顯著改善，在結(jié)構(gòu)緊湊性，光束尺寸，電光效率以及資本和運(yùn)行費(fèi)用方面。 例如，250W的激光頭裝置尺寸僅260×125 x 125mm，重5 kg。輔助設(shè)備僅有一個(gè)小的控制面板和一個(gè)冷卻裝置。組合控制系統(tǒng)與冷卻裝置的系統(tǒng)也可用。激光頭緊湊的結(jié)構(gòu)使它可以被直接安裝到機(jī)械手上，從而具有多軸 加工能力。如果需要的話，光束也可以通過光纜來傳輸。 二極管激光器的電光效率大于30%，相比于CO2和Nd:YAG激光器，各自的效率值分別為10%和4%。 目前現(xiàn)有的高功率二極

11、管激光器輸出功率大于6KW，這樣的強(qiáng)度足以滿足熔覆，焊接，以及金屬的表面熱處理。然而，在汽車工業(yè)方面，激光焊接初始應(yīng) 用是在連接聚合物方面。雖然熱塑性塑料易于吸收遠(yuǎn)紅外波段的輻射能，但是對(duì)于二極管激光器產(chǎn)生的近紅外光卻是透光的。大部分能量不被聚合物吸收。然而，可 以通過有選擇的加入添加劑如色素，填充劑，強(qiáng)化劑等來使塑料吸收激光能量。 傳輸焊接 傳輸焊接技術(shù)利用了聚合物和添加劑的不同吸收和傳輸特性，采用了具有某種重疊的形態(tài)來實(shí)現(xiàn)焊接。通過仔細(xì)的選擇材料和添加劑，使得接點(diǎn)的上半部分 可以透射激光而下半部分則被設(shè)計(jì)成可以吸收足夠的激光能量，這樣使得界面熔融，從而實(shí)現(xiàn)焊接目的。在這方面的應(yīng)用中，碳是很

12、理想的添加劑，因?yàn)樗子谖?二極管激光器的能量。 激光傳輸焊接與現(xiàn)有的塑料焊接技術(shù)相比具有許多的優(yōu)勢(shì)。與振動(dòng)/超聲焊接不同，激光傳輸焊接是非接觸加工，這樣比較不容易對(duì)敏感元件，比如含有電 子線路的元件，造成損壞。此外，它幾乎不需要什么專門工具，而大部分振動(dòng)/超聲，熱板焊接系統(tǒng)都需要許多專門的工具來對(duì)元件進(jìn)行加工。 在激光加工過程中的關(guān)鍵因素包括：選擇加入聚合物的添加劑，（即色素、增強(qiáng)劑、加工輔助劑），接縫設(shè)計(jì)，加工通路設(shè)計(jì)等。 英國Warwick Laser Systems公司（考文垂市）已研制出了一種塑料的激光傳輸焊接裝置并且實(shí)現(xiàn)了商品化。對(duì)一系列熱塑性塑料的適用性評(píng)估已經(jīng)確定了許多材料的

13、焊接條件， 這些材料包括了彩色材料，聚丙烯，聚乙烯，丙烯酸樹脂，聚碳酸酯，玻璃填料和薄膜材料。 作為非接觸技術(shù)，激光焊接避免了與其他傳統(tǒng)技術(shù)有關(guān)的工具污染和產(chǎn)品放置的問題。從二極管激光器系統(tǒng)射出的光束是高度可控的，而且輸出穩(wěn)定且可預(yù) 先設(shè)定，并允許進(jìn)行連續(xù)焊接。激光器功率高，光束寬，因此可以進(jìn)行大面積的焊接，事實(shí)上對(duì)于元件尺寸和結(jié)構(gòu)沒有任何限制。而如果需要的話，光束的高度可控 性和光束傳輸?shù)臏?zhǔn)確性也能夠確保十分精密的焊接操作。 汽車應(yīng)用 在食品包裝，醫(yī)療設(shè)備，和科研設(shè)備等領(lǐng)域中都已很好的利用了激光傳輸焊接技術(shù)，而汽車工業(yè)仍是這項(xiàng)技術(shù)最主要的采用領(lǐng)域。 最近，英國Birkby's Pla

14、stics公司（西約克郡，利弗西奇）利用激光傳輸焊接技術(shù)來制造一種新型電控節(jié)氣門（ETC）踏板用于機(jī)動(dòng)車輛。踏板如圖1，它被制成玻璃填充尼龍模具，在汽車工業(yè)的用途很廣。新的ETC踏板特點(diǎn)是使用整合而非栓接的傳感器，這使得它與 其他踏板相比，具有集成，經(jīng)濟(jì)，且不易損壞特性。當(dāng)駕駛員踩踏板時(shí)，需求信號(hào)被傳送到引擎控制系統(tǒng)，將它與點(diǎn)火圖相比，可使燃料更精確地加到引擎中，保持 高的燃燒效率，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)，性能的優(yōu)化，和廢氣排放少的目的。 要將傳感器整合在踏板里最重要的是將“電位計(jì)”精確焊接在正確位置。由于電位計(jì)需要被準(zhǔn)確的放置并且調(diào)零，所以若使用振動(dòng)焊接技術(shù)在兩個(gè)不同的塑 料元件之間進(jìn)行焊接是不現(xiàn)實(shí)的

15、。此外，因?yàn)槭褂玫碾娢挥?jì)和踏板用了兩種不同級(jí)別的玻璃填充尼龍，它們的熔點(diǎn)不同，所以也無法使用熱技術(shù)或者超聲焊接技術(shù)來 連接這兩個(gè)元件。 Warwick Laser Systems公司的開發(fā)中心在成功的進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后，將二極管激光傳輸焊接系統(tǒng)直接合并到Birkby公司特意建立的自動(dòng)組裝，焊接和測(cè)試生產(chǎn)線，來焊 接電控節(jié)氣門踏板組件中的兩個(gè)玻璃填充尼龍?jiān)▓D2）。該系統(tǒng)產(chǎn)生3mm寬的接縫并將電位計(jì)密封在踏板里。 圖2：ETC激光焊接單元在這種情況下，激光器被安裝在德國Kuka的機(jī)械手上，無需任何專門工具。對(duì)該部件采用機(jī)械手操作的好處在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。由于要求焊接在元件的兩邊進(jìn)行，在這種情況下

16、，機(jī)械手是最高效的選擇。 有重復(fù)的元件的話就需要使用夾具，并且對(duì)程序進(jìn)行改動(dòng)。機(jī)械手的程序可被存儲(chǔ)起來，從而減少了停工時(shí)間。 激光器的輸出功率可以利用功率計(jì)定期監(jiān)視。由于機(jī)械手的工作區(qū)域很大，因此可以將功率計(jì)安裝于任何方便的地方。用一個(gè)簡(jiǎn)單的程序便可以在生產(chǎn)了若干個(gè)數(shù)的零件后進(jìn)行一次測(cè)量。 在這個(gè)工作單元內(nèi)建立材料測(cè)試平臺(tái)的計(jì)劃正在進(jìn)行中，該平臺(tái)可以安置在工作區(qū)外90° 到 180°之間的任何區(qū)域。優(yōu)勢(shì)在于，激光器，機(jī)械手以及安全費(fèi)用都已經(jīng)核算過了。這樣，只需考慮固定夾具和機(jī)械手程序了。 這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用例子是為英國Pall Automotive Division公司（

17、樸次茅斯）焊接永久密封的燃料過濾器外殼。該外殼使用的材料是乙酰樹脂，壁厚2mm。事實(shí)上，外殼是圓環(huán)筒形的，因此它需要從外邊 緣和內(nèi)邊緣進(jìn)行對(duì)接焊接（圖3） 。在焊接以前，殼內(nèi)的過濾介質(zhì)被壓縮在箱體中，由于阻尼效應(yīng)，無法使用振動(dòng)焊接技術(shù)。外殼最小的爆裂壓強(qiáng)是12巴，安全工作壓強(qiáng)是6巴。 圖3：過濾器焊接位置的截面示意圖雖然已經(jīng)成功的通過了汽車工業(yè)測(cè)試規(guī)范，但是過 濾器的爆裂壓強(qiáng)被認(rèn)為是焊接強(qiáng)度的決定性測(cè)試，因?yàn)檫@是焊縫最終損壞的模式。使用一個(gè)手動(dòng)的液壓缸用來給過濾器加壓，壓力傳感器用來測(cè)壓強(qiáng)。過濾器被裝滿 了油，而且被密封。不停的給液壓缸加壓直到過濾器的工作壓強(qiáng)12巴。保持這個(gè)壓強(qiáng)幾秒鐘，有任何壓強(qiáng)的下降則可能表明產(chǎn)生裂縫。然后繼續(xù)加壓直至過濾器最 終破裂。破裂壓強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)值>30