激光焊接技术的基本原理及其特点

基本原理及特点

激光焊接，一方面要求激光辐射能穿透零件，另一方面要求零件有很强的吸收性能。重要的是，在两个焊接件之间要避免产生裂缝。在激光焊接过程中，吸收性的零件升温并且局部熔化，通过热传导将能量传递到透光的零件，在外部的压力下两个零件结合在一起。所吸收的近红外线激光转化为热能，将两个部件的接触表面熔化，最终形成焊接区。这种焊接方法能够形成超过原材料强度的焊接缝。

目前国内市场上普遍使用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接及超声波焊接等，主要用于连接敏感性塑料制品(含有线路板)、具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品(医药设备)等。

应用激光焊接熔接塑料部件，其优点有：

焊接缝尺寸精密、不透气及不漏水；焊接牢固，可以得到高精度的焊接件。在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少，不会出现飞边，部件表面能够精密连接；焊接设备不需要和被黏结的塑料零部件相接触，与其他熔接方法比较，大幅减少制品的振动应力和热应力；

最小化热损坏和热变形，可以将不同组成或不同颜色的树脂黏结在一起；可焊接尺寸极小或外形结构复杂的零件，对有些复杂零件甚至可以进行“穿透焊接”；无振动技术能产生气密性的或者真空密封结构；能够将多种不同塑料焊接起来，而其他焊接方法有较大限制；设备自动化程度高，能方便用于复杂塑料零部件加工。

擅长焊接具有复杂外形(甚至是三维)的制品；能够焊接其他方法不易达到的区域。由于激光焊接具有上述优点，所以特别吸引那些寻求更清洁的方式来熔接复杂部件的加工商，如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。

激光焊接技术是用通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波熔化接头区的塑料。所用激光的类型和塑料的吸收特性决定焊接的程度。激光焊接也极大地减小了制品的振动应力和热应力。比采用其它连接方式所产生的振动应力和热应力小，意味着制品或者装置的内部组件的老化速率更慢。这为将激光焊接应用于易损坏的制品(如电子传感器)提供了机会。

很多不同种类的材料能够用激光焊接在一起。激光焊接使用近红外线激光(NIR)，波长在810到1064nm。例如：激光焊接将能透过近红外线激光的聚碳酸酯(PC)和30％的玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)连接在一起。

激光焊接没有残渣的优点也使它比较适合应用于以下制品：食品及药物管理局(FDA)管制的医药制品、汽车制品和其他的电子传感器。二极管激光器和钇铝石榴石激光器用于塑料焊接时，它们有良好的适应性。例如：可以将二极管激光排列起来以生成复杂的线状焊缝；还可以将二极管激光发射器组合堆积起来，以获得特殊应用所需要的高焊接功率。

激光焊接方式对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，由于这些材料对近红外光的透射率很低，因而不适合激光焊接方式。

当两种材料中都填充炭黑时，由于两种材料都是黑色，它们是不能被焊接在一起的。这对于汽车外壳下的设备和其他黑色的装置采用激光焊接来说是一个障碍。同样，两种对近红外线激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)，由于对近红外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接。

激光焊接技术最早出现在20世纪70年代，但是由于费用昂贵，无法和更早的塑料黏接技术相竞争，如振动焊接技术、热板焊接技术。但是从20世纪90年代中期开始，由于激光焊接的设备费用下降，该技术才渐渐受到人们的欢迎。当被黏接的塑料零部件是非常精密的材料(如电子元件)或要求无菌环境(如医疗器械和食品包装)时，激光焊接技术就能派上很大用场。另外，对于那些很难使用其它焊接方法黏接的复杂的几何体，可以考虑使用激光焊接技术。

 工艺和焊接方式 

塑料激光焊接常用方法有：激光束沿着焊缝处快速扫描，达到焊接的目的。通过光学元件将激光束整形，同时在焊缝处产生热量。照射掩膜焊接，激光束仅加热制品上没有被掩膜遮住的部分，可以快速焊接复杂的焊缝。激光束固定，塑料工件置于受程序控制的多维可移动的工作台上。

最常用的激光焊接形式被称为激光透射焊接。该技术的过程为：首先将两个待焊接塑料零部件夹在一起，然后将一束短波红外区的激光定向到待黏结的部位。激光束通过上层透明材料，然后被下层材料吸收。激光能量被吸收使得下层材料温度升高，熔化上层和下层的塑料。

上层材料可以是透明的或者是有颜色的，但是必须能够保证有足够的激光通过。过去由于两个透明的塑料层都不能吸收足够的激光能量，利用透射技术将它们焊接在一起是不可能的；同样由于光束不具备足够的穿透能力达到加热焊接接触面的作用，利用透射技术将两个黑色层的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技术进步，已经可以将这两种类型的材料焊接在一起。

塑料激光焊接有几种不同的焊接方式：

(1)顺序型周线焊接
激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并使其熔化，将塑料层逐渐黏结在一起；或者将被夹层沿着固定的激光束移动达到焊接的目的。

(2)同步焊接
来自多个二极管激光束被引导到沿着焊接层的轮廓线上，并熔化塑料，从而使得整个轮廓同时熔化并黏结在一起。

(3)准同步焊接
该技术综合了上述两种焊接技术。利用反射镜产生高速激光束(至少10m/s的速度)，并沿着待焊接的部位移动，使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。

(4)掩模焊接
激光束通过模板进行定位、熔化并黏结塑料，该模板只暴露出下面塑料层的一个很小、精确的焊接部位。使用这种技术可以实现小于10μm的高精度焊接。

（为传播有用信息转载本文，感谢作者付出！）