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1、塑料激光焊接工艺1 .激光的波长在金属材料的激光焊接工艺中，一般采用YAG或者CO2激光作为光源，塑料焊接也不例外。随着半导体材料工 业的快速发展，半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。三者之中，由于易于获得较大功率，前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍；而由于塑料激光焊接对光源 功率大小要求不高，但对可控性和易操作性要求较高，因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。CO2、Nd:YAG和半导体激光三种光源的波长、最大功率、最小聚焦直径等参数的典型值如下所列：1. CO2激光：波长较长，为10.6微米，属远红外波段，一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最 大输出功率达50kW，
2、转化效率约10%，最小聚焦直径约0.20.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深，适合于需 要焊接较厚的塑料材料。CO2激光不能用光纤传输，只能$&*透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路， 从而影响激光头的操作性。2. Nd:YAG激光：波长较短，为1.06微米，属近红外区波长，不易被塑料吸收。最大输出功率6kW，转化效率 为3%，最小聚焦直径0.10.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小，可以方便地通过光纤传输来构建光路， 可将激光头装到机器人手臂上，实现焊接过程的数控和精密自动化；另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料， 到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收，从而实现焊接。3. 半
3、导体激光：波长0.81.0微米，最大输出功率6kW，转化效率30%，最小聚焦直径0.5mm。由于其输出输 出功率较小，适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高，易于 实现激光器的小型化和便携化。2. 塑料材料能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为：在热作用区内的材料，要求对激光光波的吸收性好；不属于热作用区部 分的材料，则要求对光波的透过性好，尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。一般向热作用区塑料中添加 吸收剂可以达到目的。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括：PMMA
4、-聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃)，PC塑料，ABS塑料,LDPE一低密度聚乙烯塑料，HDPE 一高密度聚 乙烯塑料，PVC一聚氯乙稀塑料，Nylon 6尼龙6，Nylon 66尼龙66，PS-PS树脂，等等。上述各种塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对 象。由于激光焊接具有传统焊接不具备的热作用区小、控制精确容易的特点，因此上述各种单体材料之间也可以进 行焊接。3. 吸收剂吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。如前所述，塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料 融化，随后冷却自然实现塑料件的接合。让塑料融化需要使塑料件吸收足够的
5、激光能量。塑料自身能够以较高吸 收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收剂的情况下，塑料对光波的吸收性不是很好，吸收效率很低， 融化效率不理想。通常理想的吸收剂是碳黑，碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收，从而大大提高塑料的热吸收效果，使得 热作用区的材料融化更快、效果更好。一些其他颜色的染料也能够起到相同的吸收光波的效果。英国焊接学会(TWI，The Welding Institute)研制出了一种对可见光透明的染料。用这种染料做吸收剂，可以得 到透明的塑料焊缝。碳黑在吸收红外波段的激光光波的同时，也吸收可见光波，这也是碳黑看起来为黑色的原因， 用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深
6、，与母材颜色不同。TWI研制出的对可见光透明的染料只吸收红外波段 的电磁 波，不吸收可见光，因此看起来焊缝仍然是透明的。很多情况下，塑料焊接要求成品美观、精致，因此相比碳黑，对可见光透明的染料吸收剂非常受青睐。添加吸收剂的方法有3种：一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂，这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面，而把 没有渗吸收剂的塑料件放在上面，让激光光波通过；二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂，这样只有被渗透了吸 收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化；三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂。4 .其他参数与金属焊接不同，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
7、件上的热作用区就越大、 越深，将导致材料过热、变形、甚至损坏。应该根据需要融化的深度来选择激光功率。塑料激光焊接的速度比较快，一般得到1mm厚焊缝的焊接速度可达20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接 塑料薄膜，最高速度可以达到750m/min。5.软件激光焊接系统中，计算机软件的作用是对激光头的运动轨迹和速度、激光功率等一般性的工艺参数进行数字化控制， 以达到提高加工速度和精度、改善加工质量的目的，这些与传统的激光加工中的软件控制并没有什么不同，但由 于塑料激光焊接中吸收剂的特殊作用，塑料激光焊接控制系统和加工系统又有其自身的特色。英国TWI研究所结合其ClearWeld塑料焊接工艺，
8、设计开发了计算预测吸收剂用量及用法的软件。根据不同材料 的厚度、颜色、吸收比率等，结合激光器的功率、光波透过率等参数，在焊接前用软件计算吸收剂的用量和添加方 法，再根据预测的用量添加吸收剂。提供给软件的输入数据包括：塑料材料特性：种类、厚度、颜色；焊接数据：焊接区域形状复杂程度、宽度、焊接 速度；激光器特性：功率、红外光透过率等。经过计算和筛选，软件给出的输出结果包括：吸收剂种类、用量及要求的添加方式的列表，焊接过程中激光光波在 上层材料中的能量损失。软件的计算结果与实际焊接测量的结果很接近，图6为焊接后生成的热影响区（HAZ）大小的计算值和实际测量值 的对比，所用塑料材料为PMMA。可见，软
9、件计算结果与实测结果非常接近。由于塑料激光焊接的规律性较强，有较好的可预测性，因此，采用软件 计算筛选方法预测结果是非常有效和可行的。塑料的激光焊接在汽车工业中，塑料的使用日益增加。同样的，材料和元部件的整合意味着塑料的焊接方法日渐成为一项关键的技 术。已有的技术如超声波焊接，热板焊，以及粘合技术各有所长，但是这些技术存在不少局限性，如在加工过程，可焊 接材料方面有限制，费用昂贵，或是需要使用专门工具。然而，针对这些技术的限制，出现了一种新型技术。高 功率二极管激光器的商业化和传输焊接技术的发展从根本上改善塑料焊接的能力，它已发展到有可能促使激光焊 接成为塑料加工的关键加工技术。高功率二极管激
10、光器高功率二极管激光器是基于固态技术而发展起来的，因此，它们可靠性好，典型的最少设计使用寿命在10,000工 作时左右。它们也对已有的激光器类型带来了进一步的显著改善，在结构紧凑性，光束尺寸，电光效率以及资本和 运行费用方面。例如，250W的激光头装置尺寸仅260x125 x 125mm，重5 kg。辅助设备仅有一个小的控制面板和一个冷却装置。 组合控制系统与冷却装置的系统也可用。激光头紧凑的结构使它可以被直接安装到机械手上，从而具有多轴加工 能力。如果需要的话，光束也可以通过光缆来传输。二极管激光器的电光效率大于30%，相比于CO2和Nd:YAG激光器，各自的效率值分别为10%和4%。目前现
11、有的高功率二极管激光器输出功率大于6KW，这样的强度足以满足熔覆，焊接，以及金属的表面热处理。然而，在汽车工业方面，激光焊接初始应用是在连接聚合物方面。虽然热塑性塑料易于吸收远红外波段的辐射能， 但是对于二极管激光器产生的近红外光却是透光的。大部分能量不被聚合物吸收。然而，可以通过有选择的加入 添加剂如色素，填充剂，强化剂等来使塑料吸收激光能量。传输焊接传输焊接技术利用了聚合物和添加剂的不同吸收和传输特性，采用了具有某种重叠的形态来实现焊接。通过仔细的 选择材料和添加剂，使得接点的上半部分可以透射激光而下半部分则被设计成可以吸收足够的激光能量，这样使 得界面熔融，从而实现焊接目的。在这方面的应
12、用中，碳是很理想的添加剂，因为它易于吸收二极管激光器的能 量。激光传输焊接与现有的塑料焊接技术相比具有许多的优势。与振动超声焊接不同，激光传输焊接是非接触加工， 这样比较不容易对敏感元件，比如含有电子线路的元件，造成损坏。此外，它几乎不需要什么专门工具，而大部 分振动/超声，热板焊接系统都需要许多专门的工具来对元件进行加工。在激光加工过程中的关键因素包括：选择加入聚合物的添加剂，（即色素、增强剂、加工辅助剂），接缝设计，加 工通路设计等。英国Warwick Laser Systems公司（考文垂市）已研制出了一种塑料的激光传输焊接装置并且实现了商品化。对 一系列热塑性塑料的适用性评估已经确定了
13、许多材料的焊接条件，这些材料包括了彩色材料，聚丙烯，聚乙烯， 丙烯酸树脂，聚碳酸酯，玻璃填料和薄膜材料。作为非接触技术，激光焊接避免了与其他传统技术有关的工具污染和产品放置的问题。从二极管激光器系统射出的 光束是高度可控的，而且输出稳定且可预先设定，并允许进行连续焊接。激光器功率高，光束宽，因此可以进行 大面积的焊接，事实上对于元件尺寸和结构没有任何限制。而如果需要的话，光束的高度可控性和光束传输的准 确性也能够确保十分精密的焊接操作。汽车应用在食品包装，医疗设备，和科研设备等领域中都已很好的利用了激光传输焊接技术，而汽车工业仍是这项技术最主 要的采用领域。最近，英国Birkbys Plast
14、ics公司（西约克郡，利弗西奇）利用激光传输焊接技术来制造一种新型电控节气门（ETC） 踏板用于机动车辆。踏板如图1,它被制成玻璃填充尼龙模具，在汽车工业的用途很广。新的ETC踏板特点是使用整合而非栓接的传感器，这使得它与 其他踏板相比，具有集成，经济，且不易损坏特性。 当驾驶员踩踏板时，需求信号被传送到引擎控制系统，将它与点火图相比，可使燃料更精确地加到引擎中，保持高 的燃烧效率，从而达到经济，性能的优化，和废气排放少的目的。要将传感器整合在踏板里最重要的是将“电位计”精确焊接在正确位置。由于电位计需要被准确的放置并且调零，所 以若使用振动焊接技术在两个不同的塑料元件之间进行焊接是不现实的。
15、此外，因为使用的电位计和踏板用了两 种不同级别的玻璃填充尼龙，它们的熔点不同，所以也无法使用热技术或者超声焊接技术来连接这两个元件。Warwick Laser Systems公司的开发中心在成功的进行多次实验后，将二极管激光传输焊接系统直接合并到Birkby 公司特意建立的自动组装，焊接和测试生产线，来焊接电控节气门踏板组件中的两个玻璃填充尼龙元件（图2）。 该系统产生3mm宽的接缝并将电位计密封在踏板里。图2： ETC激光焊接单元在这种情况下，激光器被安装在德国Kuka的机械手上，无需任何专门工具。对该部件采用机械手操作的好处在于 实现系统的灵活性。由于要求焊接在元件的两边进行，在这种情况下
16、，机械手是最高效的选择。有重复的元件的话就需要使用夹具，并且对程序进行改动。机械手的程序可被存储起来，从而减少了停工时间。激光器的输出功率可以利用功率计定期监视。由于机械手的工作区域很大，因此可以将功率计安装于任何方便的地 方。用一个简单的程序便可以在生产了若干个数的零件后进行一次测量。在这个工作单元内建立材料测试平台的计划正在进行中，该平台可以安置在工作区外90到180之间的任何区 域。优势在于，激光器，机械手以及安全费用都已经核算过了。这样，只需考虑固定夹具和机械手程序了。这项技术的另一个应用例子是为英国Pall Automotive Division公司（朴次茅斯）焊接永久密封的燃料过滤器外壳。 该外壳使用的材料是乙酰树脂，壁厚2mm。事实上，外壳是圆环筒形的，因此它需要从外边缘和内边缘进行对接 焊接（图3）。在焊接以前，壳内的过滤介质被
