塑料激光焊接及其應(yīng)用

隨著綠色環(huán)保理念在全球工業(yè)生產(chǎn)中的貫徹以及生產(chǎn)成本控制方面的考慮，塑料作為一種性能優(yōu)異的可再生非金屬材料，被日益廣泛地應(yīng)用在各行業(yè)的零部件設(shè)計(jì)、制造上，傳統(tǒng)的金屬部件越來越多地被擁有同樣工作性能的塑料部件替代，同時(shí)對塑料零件之間的焊接連接技術(shù)和焊接質(zhì)量也提出了更高的要求，這些變化為激光焊接技術(shù)在塑料材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了契機(jī)。

傳統(tǒng)塑料焊接常用的方法

1、超聲波焊接

超聲波焊接法通過機(jī)械高頻振動(dòng)而形成接縫。待裝配的部件加壓夾持于振蕩焊頭和固定焊頭之間，然后與接觸面呈直角，接受頻率為20～40KHz的超聲振動(dòng)。交替式高頻應(yīng)力在接縫界面處產(chǎn)生熱量，從而形成優(yōu)質(zhì)的焊接。

由于這一工藝的工具十分昂貴，因此，適宜在生產(chǎn)量較大時(shí)采用。應(yīng)用領(lǐng)域包括在多頭機(jī)上焊接醫(yī)療器材所用的閥門和篩檢程序、盒體、汽車部件、吸塵器外殼等。

2、摩擦焊接

熱塑性塑料摩擦焊接（也稱為“旋轉(zhuǎn)焊接”）與金屬焊接的原理相同。在這種焊接工藝中，將一片基材固定，另一片基材以受控的角速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)部件壓合在一起時(shí)，摩擦熱導(dǎo)致聚合物熔融，冷卻后即形成焊接。摩擦焊接能產(chǎn)生優(yōu)良的焊接質(zhì)量，焊接工藝簡單，重復(fù)性強(qiáng)，僅適合于至少有一個(gè)部件是圓形且不需要角度對齊的應(yīng)用領(lǐng)域。

3、振動(dòng)焊接

振動(dòng)焊接也稱為線性摩擦焊接。兩件熱塑性部件在適當(dāng)?shù)膲毫?、頻率和振幅下相互摩擦，直到產(chǎn)生足夠的熱量使聚合物熔融為止。振動(dòng)停止后，部件彼此對齊，熔化的聚合物固化后形成焊接。

此焊接工藝主要優(yōu)點(diǎn)在于能高速焊接大型復(fù)雜線性部件。其它強(qiáng)項(xiàng)包括：能同時(shí)焊接多個(gè)部件，焊接工具簡單，幾乎能焊接所有熱塑性材料，主要用于汽車和家用電器行業(yè)。

4、熱板焊接

對于塑料接合來說，熱板焊接是簡單的批量生產(chǎn)技術(shù)。高溫?zé)岚鍔A于待接縫的表面之間，直到軟化為止。此時(shí)，將熱板抽出，兩表面在受控壓力之下貼合，保持一段特定的時(shí)間后合在一起。然后，讓熔融表面冷卻，形成焊接。焊接工具或加熱組件配有內(nèi)置電熱器，以避免塑料粘連于焊接工具上。

多種日常用品都采用這一焊接工藝，例如：吸塵器外殼，洗衣機(jī)和洗碗機(jī)部件、制動(dòng)液油箱、后燈、指示燈等汽車部件。熱板焊接法的弊端在于焊接速度較慢。

5、熱氣焊接

熱氣焊接法利用加熱的氣流（通常為空氣）將熱塑性塑料基材和熱塑性塑料焊條加熱和熔化。基材和焊條熔融后形成焊縫。為確保有效焊接，必須在焊條上施加適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫?，還應(yīng)確保合適的焊接速度和焊槍位置。主要用途包括化學(xué)品存儲(chǔ)容器、通風(fēng)管道和汽車保險(xiǎn)杠等注塑件維修等。氮?dú)庥糜谘鯕饷舾械牟牧?，如聚乙烯；氧氣則形成更高的焊接強(qiáng)度。

這一焊接方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于能焊接大型、復(fù)雜的部件，但是焊接速度慢，焊接質(zhì)量完全依賴于焊工的技能。

6、植入焊接

在植入焊接中，首先將金屬嵌件夾在待接縫的部件之間，然后通過感應(yīng)或電阻方式加熱。采用電阻焊接時(shí)，要求沿接縫放置電線將電流傳導(dǎo)到植入件中；采用感應(yīng)焊接時(shí)則不需要這種方式。植入焊接法已用于焊接大型部件等的復(fù)雜接縫，包括汽車保險(xiǎn)杠、電動(dòng)汽車和游艇船殼等。

塑料激光焊接

7、塑料激光焊接原理

常用的激光焊接形式被稱為激光透射焊接，首先將兩個(gè)待焊接塑料零部件加壓力夾在一起，然后將一束短波紅外區(qū)的激光定向到待粘結(jié)的部位。 

    激光束通過上層透光材料，然后被下層材料吸收，激光能量被吸收后轉(zhuǎn)換為熱能，由于兩層材料被壓在一起。熱能從吸收層傳導(dǎo)到透光層上，使得兩層材料熔化并結(jié)合。

同時(shí)由于材料本身的熱膨脹擴(kuò)張產(chǎn)生內(nèi)部壓力。內(nèi)部壓力與外部壓力共同作用確保了兩部分的堅(jiān)固焊接。圖1、圖2直觀地說明了塑料激光焊接的原理與過程。

8、塑料激光焊接的工藝

（1）激光的波長  

塑料焊接過程中常用的是二極管激光器或半導(dǎo)體激光器。光束處于近紅外區(qū)域，并且光束波長在400～1,100μm，可以通過光纖傳輸，在這個(gè)范圍內(nèi)的激光束可以被大多數(shù)的塑料所吸收。二極管激光焊接系統(tǒng)緊湊，并且激光器還可以達(dá)到更高級(jí)別的功率。激光的波長可以根據(jù)特殊要求來設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體激光器的波長一般是808～980μm。半導(dǎo)體激光器投資成本小，體積小，效率高。

（2）塑料材料

熱塑性塑料包含無定形塑料和半晶性塑料。能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。塑料激光焊接技術(shù)對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對光波的透過性好，尤其在對兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。

（3）吸收劑

吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。

通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化得更快、效果更好。一些其他顏色的染料，也能夠起到相同的吸收光波的效果。

添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過；二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化；三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。

（4）其他參數(shù)

與金屬焊接不同，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，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來選擇激光功率。

塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，速度可以達(dá)到750m/min。

塑料激光焊接的應(yīng)用

樹脂降解少，產(chǎn)生碎屑少，焊接過程非接觸，不會(huì)產(chǎn)生污染，激光焊接相比其它連接方式所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力小，因此特別適合于鼠標(biāo)、移動(dòng)電話、連接器件等加工精密的電子元器件，以及需要以更清潔的方式來熔接的復(fù)雜部件，例如含有線路板的塑料制品。汽車、醫(yī)療、消費(fèi)電子、食品等行業(yè)都是激光焊接的理想應(yīng)用領(lǐng)域 。

汽車工業(yè)：激光焊接塑料技術(shù)可用于制造很多汽車零部件，如自動(dòng)門鎖、無鑰匙進(jìn)出設(shè)備、燃油噴嘴、變檔機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、駕駛室機(jī)架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應(yīng)用還包括進(jìn)氣管光歧管的制造以及輔助水泵的制造。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：激光焊接技術(shù)可用于制造液體儲(chǔ)槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術(shù)袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。

包裝工業(yè)：例如高級(jí)工業(yè)制成品的包裝，采用塑料薄膜焊接技術(shù)，可以得到加工高速、接縫可靠、外表美觀的塑料包裝。塑料材質(zhì)外包裝材料的激光焊接連接。塑料材料為熱塑性塑料和人造橡膠。

電子器件產(chǎn)品封裝：電子器件產(chǎn)品的封裝技術(shù)對于焊接環(huán)境和工藝的要求非常嚴(yán)格，例如低塵埃量、低熱量、無強(qiáng)震動(dòng)，封裝精度高、接縫可靠耐用、外表美觀等。封裝用的材料很大一部分就是塑料，因此塑料激光焊接同樣有很大的應(yīng)用空間。

激光焊接塑料具有低成本、無污染、高速度、加工方便、實(shí)現(xiàn)精密數(shù)控容易、原材料適用范圍廣、接合性和工藝性好等綜合優(yōu)勢，隨著塑料焊接工藝研究和塑料激光焊接設(shè)備的逐步商品化，塑料激光焊接的應(yīng)用必將越來越廣泛，技術(shù)越來越成熟。