塑料激光焊接工艺

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： 1CO2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，转化效

2、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。 2Nd: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半导体激光：波长0

3、.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聚甲基丙烯酸甲脂（有

4、机玻璃），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尼龙6，Nylon 66尼龙66，PSPS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激光能量。塑料自身能够以较高吸收率

5、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，与母材颜色不同。TWI研制出的对可

6、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，塑料件上的热作用区就越大、越深，将导致

7、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，设计开发了计算预测吸收剂用量及用

8、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，软件计算结果与实测结果非常接近。由于

9、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。 高功率二极管激光器 高功率二极管激光器是基于固态技

10、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260125 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%。 目前现有的高功率二极管激光器输出功率大于6

11、KW，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。在这方面的应用中，碳是很理想的添加剂，因为它易

12、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许多材料的焊接条件， 这些材料包

13、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 Plastics公司（西约克郡，利弗西

14、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。此外，因为使用的电位计和踏板用

15、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，机械手是最高效的选择。 有重复

16、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

17、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，壳内的过滤介质被压缩在箱体中，由于阻尼效应，无法使用振动焊接技术。外壳最小的爆裂压强是12巴，安全工作压强是6巴。 图3：过滤器焊接位置的截面示意图虽然已经成功的通过了汽车工业测试规范，但是过 滤器的爆裂压强被认为是焊接强度的决定性测试，因为这是焊缝最终损坏的模式。使用一个手动的液压缸用来给过滤器加压，压力传感器用来测压强。过滤器被装满 了油，而且被密封。不停的给液压缸加压直到过滤器的工作压强12巴。保持这个压强几秒钟，有任何压强的下降则可能表明产生裂缝。然后继续加压直至过滤器最 终破裂。破裂压强的标