塑料激光焊接机的原理和工艺

塑料激光焊接机原理

　塑料的激光焊接是一种透射式焊接工艺。因为许多热塑性塑料对于可见光和近红外光具有较好的光学穿透性，这样激光就可以穿过上层材料到达焊接面，下层的材料含有一种可以吸收激光的着色剂，它吸收激光，从而受热融化下层材料。由于上下两层材料都有很好的热传导性并且接触很紧密，下层产生的热量可以传到上层材料并使它融化，这样就把两个部件粘接在一起。目前激光透射式焊接有多种方式。其中最常用的两种是轮廓焊接方式和扫描 高聚物材料的激光焊接是一种透射式焊接工艺。因为许多热塑高聚物对于可见光和近红外光具有较好的光学穿透性，这样激光就可以穿过上层材料到达焊接面，下层的材料含有一种可以吸收激光的着色剂，它吸收激光，从而受热融化下层材料。由于上下两层材料都有很好的热传导性并且接触很紧密，下层产生的热量可以传到上层材料并使它融化，这样就把两个部件粘接在一起。 

塑料激光焊接的工艺

　　(1)激光的波长

　　塑料焊接过程中常用的是二极管激光器或半导体激光器。光束处于近红外区域，并且光束波长在400～1,100μm，可以通过光纤传输，在这个范围内的激光束可以被大多数的塑料所吸收。二极管激光焊接系统紧凑，并且激光器还可以达到更高级别的功率。激光的波长可以根据特殊要求来设计。半导体激光器的波长一般是808～980μm。半导体激光器投资成本小，体积小，效率高。

　　(2)塑料材料

　　热塑性塑料包含无定形塑料和半晶性塑料。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。

　　(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。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激光能量。

　　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得更快、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。

　　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。

激光焊接的过程：

激光焊接的几种方式

　　目前激光透射式焊接有多种方式。其中最常用的两种是轮廓焊接方式和扫描焊接的方式，这两种方式的主要区别是在焊接材料上聚集能量的方式不同。由于两者各有优点，不同的应用需要选择适宜的焊接方式。  

轮廓焊接 

　　轮廓焊接是指需要焊接的零件和激光束按照制定好的路线进行相对移动而完成的焊接，相对移动通过旋转轴、线性轴或者机器人来完成，随着路径的前进焊接材料依次融合从而完成焊接。这种方式的焊接，焊缝宽度范围从产生零点几到几毫米，取决于激光模式和聚焦系统。  这种工艺柔性大，可以进行复杂的，三维的轮廓焊接。焊接零件的尺寸只是受限于用来固定焊接零件的夹具，这样就能实现大型零件的焊接。这种焊接方式的不足是，由于高聚物的局部融化产生膨胀变形会导致焊接零件产生尺寸偏差。  轮廓焊接主要应用于形状对称的接缝的转动焊接或不允许有飞溅和残渣的大型零件的焊接。 

扫描焊接 

　　电镜扫描的焊接方式结合了轮廓焊接和同步焊接两种方式。相对于轮廓焊接，扫描焊接的聚焦激光束沿焊缝移动的速度更快。这种方式可以同时加热融化整个焊缝，从而对焊缝的加热更加均匀，还可以补偿焊接工件的几何尺寸误差。此外，这种焊接方式产生的飞溅也少。  这种工艺的循环时间比轮廓焊接短的多，由于电镜扫描范围的限制，零件尺寸不能超过230x230mm，但可以通过采用多个电镜的方法来实现较大零件的焊接。扫描焊接不能进行复杂的三维焊接，它适合焊接时间短、小型零件的焊接或为了质量控制需要监控焊接轨迹的焊接。  扫描焊接方式对于汽车中的传感器电子产品的焊接非常适用。采用 LaserQuipment®焊接系统可以在3秒内完成100mm长度的焊接。所有激光防护装置和焊接监测装置都集成在这个焊接系统中，而且还配有一套专用的夹具。 

同步焊接 

　　同步焊接方式是指焊缝同时被一束或多束激光照射加热。这种方式没有焊缝长度的限制，焊缝也可以不在一个平面上，只要夹具的压力沿整个焊缝能够均匀的分布即可。  同步焊接可以很好的完成同一平面上的焊接，但如果是球面的曲线焊接就需要添加额外的光束整形部件，通过调整和控制这个分立的光学部件，可以使激光能量在整个焊缝长度范围内均匀分布。  同步焊接方式适合大量生产或焊接时间短的应用。 

复合光焊接   

　　混合光焊接是LPKF公司研发的一项新技术。采用这项技术的激光焊接系统成本效益高、无需夹具，可以克服焊接大型的、三维的工件所遇到的尺寸偏差问题。这项技术采用的是激光和传统卤素灯发出的红外光的混合光。实验已经证明采用双重光可以提高焊接速度和焊接尺寸精度。  混合光焊接技术不仅仅应用在汽车零件（前灯、尾灯和发动机塑料部件等）的生产上，也可以应用在日用品和医药用品的生产上。

激光焊接的优点

1.没有振动或超声波等物理的影响,因此可应用于精密部件；

2.非接触焊接，因此不会使表面产生热影响、伤痕或变形；

3.不会产生粉尘或飞边等不良现象的一种洁净工作法；

4.可利用最佳加工条件来获得很高的接合强度和密闭性；

5.通过缩小激光束可最大限度地减少因热而引起的影响；

6.树脂降解少，产生的粹屑少，制品的表面能够在焊缝周围严密地连接在一起。

激光焊接的缺点

1.在可用材料方面存在限制（必须通过透射性和吸收性材料的组合来使用;

2.两种透明材料叠焊时需要添加吸收器（目前只有进口产品，而且价格很贵）；

影响激光焊接效果的因素

激光焊接工艺介绍

1.激光焊接的条件

(1)激光功率

(2)扫描速度

激光输出功率是使树脂熔化的热源。扫描速度是激光束的移动速度。如果要考虑生产率，则加快扫描速度并缩短处理时间就会相应地提高输出功率。但如果功率过高，吸收性材料一侧就会过度分解，从而引起变形。因此，今后将通过基于实际制品的验证来寻找制品最稳定的焊接性能点。

同时，就材料而言，下面两点也很重要：

(3)透射性材料的光线透射率

(4)透射性材料的厚度

材料的焊接情况取决于到达吸收性材料的激光束的能量。因此透射性材料一侧的厚度和光线透射率会有很大影响。光线透射率越高对焊接就越有利。同样，越薄也越有利。

塑料激光焊接的相熔型匹配表

焊接强度与激光移动速度和激光功率的关系，激光功率越高，移动速度越慢，则焊接强度就越高，见下图：

塑料激光焊接、超声波焊接、振动摩擦焊接三种焊接方式结构对比

激光焊接案例