塑料激光焊接加工技術（一）

0 前言

新技術為許多新產品的開發提供了現實操作性，如生物醫藥晶片大部分由塑料片組成。塑料片上有很多μm限度的結構，在進行封裝時就需要用到塑料激光精細焊接技術。

激光焊接工藝之所以具有吸引力，是因為只用很少的熱量輸入結構件，因此，只會產生可控的最小熔化量。其結果是可獲得很高的焊接強度，并且由于熔化物溢出或氣化很少而獲得無可挑剔的外觀質量。在很小的焊接面積上可以獲得很高的強度，使得這種工藝在操作空間受到限制的條件下，比黏接工藝更優越。在新材料、新設備和新技術層出不窮的時代，人們不僅要了解激光焊接的特性、優點和要求，還應認識到此領域的諸多創新和未來趨勢，始終處于科技的最前沿。

1 激光焊接技術的基本原理及其特點

塑料的激光焊接是與對材料要求的提高相關聯的，這些新的要求通常很難完成。所謂的激光透射焊接一方面要求激光輻射能穿透零件，另一方面要求零件有很強的吸收性能。重要的是，在2個焊接件之間要避免產生裂縫。在激光焊接過程中，吸收性的零件升溫并且局部熔化，通過熱傳導將能量傳遞到透光的零件，在外部的壓力下2個零件結合在一起。所吸收的近紅外線激光轉化為熱能，將兩個部件的接觸表面熔化，最終形成焊接區。這種焊接方法能夠形成超過原材料強度的焊接縫。

目前國內市場上普遍使用的塑料焊接技術主要有振動摩擦焊接、熱板式塑料焊接及超聲波焊接等，主要用于連接敏感性塑料制品(含有線路板)、具有復雜幾何形狀的塑料件以及有嚴格潔凈要求的塑料制品(醫藥設備)等。應用激光焊接熔接塑料部件，其優點有：焊接縫尺寸精密、不透氣及不漏水；焊接牢固，可以得到高精度的焊接件。在焊接過程中樹脂降解少、產生碎屑少，不會出現飛邊，部件表面能夠精密連接；焊接設備不需要和被黏結的塑料零部件相接觸，與其他熔接方法比較，大幅減少制品的振動應力和熱應力；最小化熱損壞和熱變形，可以將不同組成或不同顏色的樹脂黏結在一起；可焊接尺寸極小或外形結構復雜的零件，對有些復雜零件甚至可以進行“穿透焊接”；無振動技術能產生氣密性的或者真空密封結構；能夠將多種不同塑料焊接起來，而其他焊接方法有較大限制；設備自動化程度高，能方便用于復雜塑料零部件加工。擅長焊接具有復雜外形(甚至是三維)的制品；能夠焊接其他方法不易達到的區域。由于激光焊接具有上述優點，所以特別吸引那些尋求更清潔的方式來熔接復雜部件的加工商，如含有線路板的塑料制品、醫療設備等。

激光焊接技術是用通常存在于電磁光譜紅外線區的集束強輻射波熔化接頭區的塑料。所用激光的類型和塑料的吸收特性決定焊接的程度。激光焊接也極大地減小了制品的振動應力和熱應力。比采用其它連接方式所產生的振動應力和熱應力小，意味著制品或者裝置的內部組件的老化速率更慢。這為將激光焊接應用于易損壞的制品(如電子傳感器)提供了機會。

很多不同種類的材料能夠用激光焊接在一起。激光焊接使用近紅外線激光(NIR)，波長在810到1064nm。例如：激光焊接將能透過近紅外線激光的聚碳酸酯(PC)和30％的玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)連接在一起。

激光焊接沒有殘渣的優點也使它比較適合應用于以下制品：食品及藥物管理局(FDA)管制的醫藥制品、汽車制品和其他的電子傳感器。二極管激光器和釔鋁石榴石激光器用于塑料焊接時，它們有良好的適應性。例如：可以將二極管激光排列起來以生成復雜的線狀焊縫；還可以將二極管激光發射器組合堆積起來，以獲得特殊應用所需要的高焊接功率。

激光焊接方式對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，由于這些材料對近紅外光的透射率很低，因而不適合激光焊接方式；當兩種材料中都填充炭黑時，由于兩種材料都是黑色，它們是不能被焊接在一起的。這對于汽車外殼下的設備和其他黑色的裝置采用激光焊接來說是一個障礙。同樣，兩種對近紅外線激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)，由于對近紅外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接。對于醫藥、包裝和消費品來說，因為這些產品都要求透明。由于許多礦物填充的化合物能夠吸收近紅外線激光，所以通常不適合用激光焊接。高填充的玻纖增強物能夠改變近紅外線激光的透射率，降低焊接效率。不過原料供應商的配方中的玻纖含量通常不會超過這個限度。

激光焊接技術最早出現在20世紀70年代，但是由于費用昂貴，無法和更早的塑料黏接技術相競爭，如振動焊接技術、熱板焊接技術。但是從20世紀90年代中期開始，由于激光焊接的設備費用下降，該技術才漸漸受到人們的歡迎。當被黏接的塑料零部件是非常精密的材料(如電子元件)或要求無菌環境(如醫療器械和食品包裝)時，激光焊接技術就能派上很大用場。激光焊接技術速度快，特別適用于汽車塑料零部件的流水線加工。另外，對于那些很難使用其它焊接方法黏接的復雜的幾何體，可以考慮使用激光焊接技術。

2 激光加工新的應用領域

塑料激光焊接技術是一種方興未艾的非接觸焊接技術。同其它焊接方法相比，它具有非接觸、不透氣、不漏水、焊接速度快、精度高、焊縫強度高、無飛邊、無殘渣、無振動、熱應力最小、易于控制、靈活性好、適應性好等諸多優點。塑料激光焊接技術主要應用于醫療器械、電子元器件、汽車零部件、紡織品、包裝工業。與計算機數控技術相結合，激光加工技術已成為工業生產自動化的關鍵技術，擁有普通加工技術所不能比擬的優勢。在過去幾十年中，激光焊接在制造行業的應用范圍迅速擴大，它已經是一種成熟技術。焊接時，高能激光被聚焦于材料上，使焦點處的材料汽化蒸發形成一個深而窄的入孔，孔隨著激光光束在工件表面移動，這就是所謂的“鑰匙孔”深熔焊。在焊接過程中，惰性氣體(通常是氦和氮)從噴嘴射出覆蓋在工件表面以防止氧化。在大功率激光焊接設備中，CO₂激光器是最常用的。這種激光器發出光的波長為10.6μm。CO₂激光器的混合氣體主要是氦(保證產生熱量的移動傳輸)、CO₂(激光活性介質)和氮(氣體放電產生激發所必需的能量)。CO₂激光器在用于薄壁結構的高速焊接時，成本效益尤其突出，如轎車車身的焊接。這種類型激光器的缺點是需要一個非常復雜精巧的系統將激光束發送到工件上。這也意味著這套系統的工作平臺缺乏靈活性。如果需要經過很多反光鏡來使激光束到達指定位置，那么此時激光柬的品質也將降低。在最近幾年，我們已看到了一些新產品，像二極管泵激式Nd：YAG激光器、二極管直接激發式激光器，而且它們已開始被應用于商業產品。

塑料的激光焊接技術主要用于普通焊接技術難以適應的塑料制品(如高密度線路板)、形狀復雜的塑料件以及有嚴格潔凈要求的塑料制品(如電子傳感器等)等。激光便于計算機控制，采用光纖激光器輸出激光柬可使激光靈活地到達零件各個微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達到的區域。傳統焊接技術無法焊接的異型塑料也有機會加以良好焊接。

在高檔轎車的保險杠上也應用激光焊接技術。其優點是輸入的熱量較低、外觀好，并可獲得很高的焊接強度。保險杠材料大都采用PP，EPDM和10％的滑石粉共混物以及PC，PBT等。以前采用超聲波焊接將停車距離傳感器的適配器焊接到已經上好漆的保險杠上，然而在強度和外觀損傷之間難以達到兩全齊美。采用激光透射焊接工藝焊接保險杠的傳感器適配器，生產的熔化物很少，因此，沒有熔化物溢出。在具有良好強度的同時，外觀優美，非常接近黏接的部件口。不過激光焊接的投資費用目前還較高，只有在要求較高時使用才合理。保險杠的結構設計的未來趨勢是材料的壁厚越來越薄，這特別適于采用激光技術。除了對材料和加工的新要求之外，采用激光工藝使焊縫的形狀和位置有了更大的自由度。由于單位焊接強度一般高達60MPa，并且安裝空間將更狹窄，因此為激光焊接的應用創造了很好的機會。

近年來，激光技術已經廣泛應用于高密度印刷線路板微通道打孔及芯片封裝設備中。最新的世界微通道打孔信息顯示，每年有超過300000萬m²的高密度多層印刷線路板是用激光來打孔的。目前市場上主要的三種雙頭激光打孔設備：雙頭CO₂激光系統、雙頭UV激光系統、混合激光系統(UV和CO₂)。有兩種比較經濟實用的激光技術用于PCB板的微通道打孔：CO₂激光，波長在遠紅外區域，打孔直徑大于100μm；W激光波長在紫外區域，廣泛用于打孔的直徑小于100μm，甚至孔徑縮小到小于50μm的情況。隨著塑料在汽車、醫療設備及電子等行業的零部件設計、制造上日趨廣泛使用，大功率光纖激光塑料焊接系統可完全滿足塑料制品的加工過程中快速、有效、干凈的塑料焊接方式。

光纖激光焊接塑料技術能形成精密、牢固和密封(不透氣和不漏水)的焊接，樹脂降解少，產生的碎屑少；易于控制，具有良好的適應性，可焊接尺寸小或外形結構復雜的工件。極大地減小了制品的振動應力和熱應力。能夠將許多不同種類的材料焊接在一起。激光塑料焊接技術在歐美等發達國家已經得到了一定的應用，我國在這方面尚是空白。

3 激光焊接塑料的工藝和設備

塑料激光焊接常用方法有：激光束沿著焊縫處快速掃描，達到焊接的目的。通過光學元件將激光束整形，同時在焊縫處產生熱量。照射掩膜焊接，激光束僅加熱制品上沒有被掩膜遮住的部分，可以快速焊接復雜的焊縫。激光束固定，塑料工件置于受程序控制的多維可移動的工作臺上。

最常用的激光焊接形式被稱為激光透射焊接。該技術的過程為：首先將兩個待焊接塑料零部件夾在一起，然后將一束短波紅外區的激光定向到待黏結的部位。激光束通過上層透明材料，然后被下層材料吸收。激光能量被吸收使得下層材料溫度升高，熔化上層和下層的塑料。上層材料可以是透明的或者是有顏色的，但是必須能夠保證有足夠的激光通過。過去由于兩個透明的塑料層都不能吸收足夠的激光能量，利用透射技術將它們焊接在一起是不可能的；同樣由于光束不具備足夠的穿透能力達到加熱焊接接觸面的作用，利用透射技術將兩個黑色層的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技術進步，已經可以將這兩種類型的材料焊接在一起。

塑料激光焊接有幾種不同的焊接方式：

(1)順序型周線焊接

激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動并使其熔化，將塑料層逐漸黏結在一起；或者將被夾層沿著固定的激光束移動達到焊接的目的。

(2)同步焊接

來自多個二極管激光束被引導到沿著焊接層的輪廓線上，并熔化塑料，從而使得整個輪廓同時熔化并黏結在一起。

(3)準同步焊接

該技術綜合了上述兩種焊接技術。利用反射鏡產生高速激光束(至少10m/s的速度)，并沿著待焊接的部位移動，使得整個焊接處逐漸發熱并熔合在一起。

(4)掩模焊接

激光束通過模板進行定位、熔化并黏結塑料，該模板只暴露出下面塑料層的一個很小、精確的焊接部位。使用這種技術可以實現小于10μm的高精度焊接。

塑料的激光焊接越來越成為一種規?；纳a方式。如果用戶對焊縫的質量有特殊的要求，他們更樂意采用這種仍然還比較新的技術。相對于傳統連接工藝(比如超聲波、振動和熱風工具焊接)，激光焊接工藝已經逐漸取得其市場地位。用戶也從它的眾多優點中獲益。有很多方式可將激光輻射應用到部件上，相應地產生了不同的焊接概念。除了輪廓焊接、同步和準同步焊接外，還有其他方式。多種焊接方式和焊接概念的出現，使得用戶可以最佳的方式實現其特定應用的需求。與其他連接方法相比，塑料激光焊接不光在技術上是創新的，而且對于高強度焊縫而言還是一種很高效的方法。投資成本在一定程度上高于其他方法，但是因為維護成本低，不需要使用其他部件，以及激光系統在應用上的靈活性，很快就會收回投資。至少焊縫的高質量，包括高密封性、焊接過程的可重用性，即可保證經濟上的優勢。

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。隨著半導體材料工業的快速發展，半導體激光作為光源也漸漸得到了應用。三者之中，由于易于獲得較大功率，前兩者在傳統的材料加工業中使用較為普遍；而由于塑料激光焊接對光源功率要求不高，但對可控性和易操作性要求較高，因此，半導體激光在塑料焊接中也有用武之地。二極管激光器產生的波長范圍在800～1000nm之間，這對焊接來說是效率最高的能量區域。它結構緊湊，可以很方便安裝在自動化設備上。

塑料焊接有時也使用CO₂激光器。它能產生10600nm的光波，這同Nd³⁺：YAG和二極管激光器產生激光相比，更容易被塑料吸收。但是CO₂激光的穿透性能不及其它兩種激光器產生的激光。因此，CO₂激光器主要用于薄膜材料焊接。使用Nd：YAG或二極管激光的透射焊接技術，能以超過20m/min的線速度將1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。CO₂激光器焊接薄膜的速度可以高達750m/min。目前國內塑料激光焊接設備才開始起步，大多處于探索階段，如國內最早生產激光焊接機的武漢華工激光工程有限責任公司就推出了采用半導體激光器為光源的塑料焊接機。根據客戶的工件形態，分別有：基于振鏡運動方式的塑料激光焊接機，主要用于平面焊接；基于電動工作臺三維運動的塑料激光焊接機，主要用于三維曲線的焊接。同時結合客戶產品特點定制各種工裝夾具，選擇合適的激光添加劑配方，為客戶提供交鑰匙工程。