激光焊接塑料由于其獨特的優勢，正成為激光焊接領域的一個熱點，受到行業的廣泛關注，它將取代傳統的塑料焊接方法。本文主要介紹了塑料激光焊接技術的原理、應用和發展前景，并簡要介紹了我公司開發的塑料激光焊接設備。

一、 塑料激光焊接技術的原理1.主要原理

塑料激光焊接利用的是透射焊接原理，如圖1所示。一般選用紅外激光作為焊接熱源，由于800nm-1100nm波段的激光對于絕大多數種類的透明或有色熱塑性塑料吸收率較低，激光透過塑料損失的能量較少，故常選用這一波段的激光。透射焊接一般采用搭接接頭，并通過能提供一定夾緊力的夾具固定。并且上下兩層材料必須滿足一定的要求：對于所采用的激光，上層材料需要能最大程度的透過激光，下層材料需要能最大程度的吸收激光。激光透過上層材料射到下層材料表面，由于下層材料對激光具有較高的吸收率，激光在結合面處被吸收并產生大量的熱量，同時，熱量通過熱傳導由下層材料傳到上層材料，使得結合面處塑料熔化，在夾緊力的作用下二次聚合，冷卻后在結合面處形成焊縫，即焊接在一起。

 圖1塑料激光透射焊接原理

2.各種塑料激光焊接方法(a)輪廓焊接

在激光透射焊接的焊接區中，輪廓焊接是最具“靈活性”、簡單、流行的技術。在該過程的進行中，激光光束在焊接區被聚焦成一個點，并沿著輪廓線移動，如圖1(a)所示。光束的運動可以通過計算機軟件控制，在它上面的焊件是被固定的，或者通過機器人手臂攜帶固定焊接頭。機器人的使用大大加寬了輪廓焊接的應用范圍，并將其提升到與超聲焊接和振動焊接競爭的位置。這種方法的優點在于它的實質性的“靈活性”，機器人的可編程隨機軌跡的可能性，并通過改變焦距控制焊接的直徑。

(b)同步焊接

在加工過程中焊接元件和激光束都保持不動，首先根據焊接區域定制激光頭，通過多個二極管激光束發射出激光同時作用于輪廓線上使得焊接區域熔化，從而將材料焊接在一起，如圖2(b)所示。同步焊接的缺點在于，使用的裝置復雜，它的鏡頭必須根據焊接區域的形狀特別定制，因而成本較高，通常用于大型零件的大批量焊接。

(c)準同步焊接

類似于輪廓焊接，也類似于同步焊接，通過激光束投射到焊接區域沿著輪廓高速掃描，每秒可掃描數次，使得焊接區域近似于被同時加熱熔化，從而形成焊縫，如圖2(c)所示。因此，焊接強度及焊接質量與激光掃描速度、掃描圈數和激光強度有關。準同步焊接的優點是自由度高，靈活性好，尤其適合簡單的二維焊接，如手機外殼、電子元件外殼等。

(d)掩膜焊接

使用一個可吸收或反射激光的膜，激光束投射到焊接區域，并使激光束或焊件移動，目標焊接區域由于沒有掩膜的遮蔽，因而熔化并形成焊縫，如圖2(d)所示。掩模焊接可以使得超過10μm的寬度能夠形成焊縫。此外，不僅直線焊縫，由于掩膜的形狀決定了焊接的區域，因此掩膜焊接十分“靈活”，形狀復雜的焊縫也可通過使用合適的掩模形成。掩膜焊接精密度可達到微米級，該方法已經在精度和小尺寸元件焊接上得到應用，包括醫療、電子、和電氣行業。

(e)反射焊接

主要用于圓柱表面圓周線狀的焊接。激光束通過高速掃描電機定位后投射到焊接區域經由圓錐型鏡面二次反射，可在圓柱焊件表面形成徑向式輻射，根據電機掃描的速度可作輪廓焊接或準同步焊接，如圖2(e)所示。反射焊接產量高，并且無需夾緊裝置，特別適合于直徑不同和無需旋轉的圓柱狀焊件。

圖2 各種塑料激光焊接方法
 
(f)衍射焊接

衍射焊接是一種新型的塑料激光焊接方法，通過使用衍射光學元件對激光束整形，再通過掩膜使激光束投射到焊接區域加熱熔化并形成焊縫。衍射焊接通過光學元件使得光斑大小可達微米級，因而可進行微焊接。衍射焊接可以焊接出大小約為300μm，焊縫為75μm的焊接件，也可進行密封焊接。

3.塑料激光焊接技術的優點

塑料激光焊接作為激光焊接的一個新興應用領域，與傳統的超聲波焊接、熱板焊接、振動焊接、膠連接等工藝相比，在成本和性能上更具優勢，如表1。

表1 塑料激光焊接對比傳統塑料焊接工藝的優勢
 
塑料激光焊接技術主要有以下幾方面的優點：

• 焊縫精密、牢固，不透氣且不漏水，密封性能好；
• 無殘渣生成，因而能將焊件緊密地焊接在一起；
• 作為一種非接觸焊接，焊件表面無損傷；
• 具有靈活地操控性，通過計算機軟件控制激光、光纖輸出激光，可焊接尺寸較小或外形復雜（甚至三維）的制品；
• 極大地減小了制品在焊接過程中產生的振動應力和熱應力，可用于極易損壞的制品的焊接，并能延長制品的使用壽命；
• 可將許多不同種類的塑料材料焊接在一起，如PC和摻雜30%玻璃纖維的PBT；
• 設備體積小，操作簡便，成本低，維護方便。

二、 塑料焊接技術的應用及發展前景 1.塑料激光焊接在汽車零部件上的應用

為了提高汽車發動機效率，一個辦法是盡量減輕汽車車身的重量，塑料、樹脂、特種玻璃等材料因其質輕、耐腐蝕、穩定性好等特點，越來越廣泛的被應用于汽車零部件上。

傳統的汽車發動機進氣歧管材料為鑄鋁，如圖4所示。從20世紀80年代起，由于塑料發動機進氣歧管管壁光滑、效率高、質量輕等特點，代替鑄鋁被廣泛應用于進氣歧管制造中。使用激光焊接不僅可以制取結構和形狀更為復雜的進氣歧管，并且焊接質量好、強度高、殘余應力小、無焊渣、易于自動化生產，因此，激光焊接技術逐漸成為新興塑料進氣歧管制造的重要焊接手段。

圖4 汽車發動機進氣歧管
 
隨著社會的進步，汽車的外觀設計越來越受到重視，而尾燈作為汽車的一個重要功能器件，其制造工藝越來越顯示出重要性。圖5為使用激光焊接技術焊接車燈，無需改變透明材料的顏色，且密封性好，無漏水、漏氣，焊縫連接強度高且外觀美觀。
 

圖5 汽車車燈的激光焊接

圖6的氣液分離器是汽車油箱系統的重要部件之一，主要由注塑的POM上蓋和殼體組成，通過激光焊接完成產品的封裝，工藝穩定性高，焊接強度高。
對于汽車儀表盤外殼，如圖7，不僅要求外表美觀，對于密封性和耐腐蝕性也要求嚴格。通過塑料激光焊接技術焊接的儀表盤，焊縫密封性好，連結強度高。

其它如汽車的電子開門器、變速箱、安全氣囊、油壓傳感器和發動機傳感器等，塑料激光焊接技術也在其中得到廣泛應用。

2.塑料激光焊接在醫療器械上的應用

塑料激光焊接技術在醫療器械上主要應用于注射器系統、醫療電子設備、人造移植及造口產品等。

采用掩模焊接方法焊接得到的耳垢防護器，如圖8，大小只有幾毫米，膜與墊圈焊接緊密，由于激光焊接的非接觸性，還保證了產品的無菌性。
在高端醫療產品中，采用Globo焊接工藝應用于人造瘺護理產品，如圖9；對于針尖保護帽，如圖10，可采用同步焊接工藝。焊接產品環保，焊縫性能穩定。

生物醫療分析儀器要求無菌、無化學物質加入，激光焊接作為一種非接觸焊接方法，焊接過程中熱影響區小。生物醫療分析儀器中的液體分析芯片，如圖11，含有幾厘米長、幾十微米甚至幾百微米寬的微流道系統，一般用來采集或分析液體物質。由厚度只有幾毫米到20微米的塑料片構成的微流道，結構十分精密，通過掩膜焊接可以實現焊接過程。
 

圖12為醫用導管，由于材質、柔軟度在使用時依其接觸部位的不同而要求不同，通過激光焊接的醫用導管，連接強度高、表面連續性好。
 

圖13為人造心臟，其中部分塑料制件需要通過焊接來達到連接目的，激光焊接由于其非接觸性、焊縫精密牢固等特點，能夠保證焊后產品的生物相容性、穩定性、耐蝕性、抗壓性和密封性。

3.塑料激光焊接在電子器件產品上的應用

對于電子產品的封裝，焊接環境和工藝十分重要，必須滿足塵埃量低、熱量低、無強震動、封裝精度高、焊縫強度高、外表美觀等。由于封裝所使用的材料很大一部分為塑料，因此，塑料激光焊接技術有巨大的發展空間。

傳感器內部有精細的電路和傳感元件，圖14為傳感器的塑料外殼，采用激光焊接對其進行封裝，得到的外殼密封性極好，在高溫、高濕、粉塵和腐蝕性環境下耐受性良好，并且激光焊接為非接觸式不會產生振動，大大提高了傳感器生產成品的合格率和性能。

圖15的電路板采用激光焊接技術進行封裝，焊縫不僅牢固，且密封性好。

4.塑料激光焊接在其他方面上的應用

激光焊接紡織品通過激光縫合，接縫牢固可靠，特別適合于防水服裝和對氣密性要求較高的裝備。

一些工業成品的包裝，采用塑料薄膜焊接技術，可得到焊縫牢固、外表美觀的塑料包裝。

5.發展前景

目前二維塑料激光焊接技術在設備及工藝上已日趨成熟，而三維焊接仍處于起步階段。因此，三維焊接設備的研制及三維激光焊接塑料的相關研究將成為塑料激光焊接未來的發展趨勢之一。

三、本公司塑料激光焊接系統簡介 
廣東順德華焯機械科技有限公司地處中國家電之都，機械裝備之鄉的佛山順德中國南方智谷A區，其技術主要依托于國家級科技轉化中心——制造裝備數字化國家工程研究中心。公司專業研發團隊由華中科技大學在激光加工、數字制造領域的一大批專家教授組成，目前擁有專業員工近50人，其中具有博士碩士學位的高端技術研發人員18人。

華焯主要從事激光加工設備（尤其是塑料激光加工）及自動化成套輔助系統的研發、生產和銷售。公司技術實力雄厚，技術帶頭人均為國內激光加工領域的頂尖專家，主要研發人員均為博士以上學歷，是華中科技大學研究生的定點實訓基地，是國內首家專業從事塑料激光焊接設備的研發、生產和銷售的高科技企業，是目前國內塑料激光焊接技術的引領者。

華焯開發的塑料激光焊接機，配備了國內領先的半導體激光器，采用PLC控制，人機交互界面，在線視覺監控，精密導軌、滾珠絲桿、伺服電機等，實現復雜形狀塑料制品的三維自動化焊接，提高生產效率，提升產品質量，降低勞動成本，較少噪音污染。
 

表2 三維塑料激光焊接系統基本技術參數

圖20 精密小型塑料激光焊接機

表3 精密小型激光焊接系統基本技術參數本塑料激光焊接機系列可用于各種

復雜形狀的ABS、PP、AS、PC、PMMA、PVC、PE等熱塑性塑料及其部分摻雜塑料產品的高質量、高效率、自動化焊接。利用本焊接系統進行了大量的焊接試驗，焊縫寬度為55mm，部分試驗結果如表4所示。 

表4 部分試驗結果

利用本焊接系統，進行了ABS材料的美的空調離心空調風葉的焊接，如圖28所示，并對焊接樣件進行了軸向拉力測試、動平衡測試、溫度沖擊測試，結果發現，風葉可承受超過4.5KN的軸向拉力，焊后的風葉的動平衡完全符合產品要求，而且樣件在冷熱溫度沖擊下，性能穩定。 

 
圖22(a)和(b)為焊接前的PC材料的液冷燈泡及摻雜炭黑的PC材料燈管，(c)為利用本焊接系統焊好的液冷燈，焊縫為環形，密封性好，無漏氣、漏水，焊接強度高。
 

圖22利用本塑料激光焊接系統焊接的液冷燈。

圖23為車燈，其中燈蓋材料為ABS，燈座材料為AS，可使用本系統通過激光焊接焊合，焊縫牢固緊密，密封性好，外表美觀。

圖24為藍色玩具頭的焊接，貼合材料均為白色透明材料，在內層透明塑料表面涂clearweld試劑后，利用本系統進行激光焊接，焊縫牢固可靠，無縫隙且美觀。

四、 結論 
激光焊接塑料因其焊接速度高、干凈無污染、設備簡單、無振動、不損壞焊件等優點，逐漸成為激光焊接領域的一個熱點，在國外已被廣泛應用于汽車工業、醫療器械、電子產品等領域。然而，目前國內對于塑料激光焊接技術的應用極少，尤其是三維焊接，仍處于起步階段。我公司開發的三維塑料激光焊接系統，緊跟市場需求及塑料激光焊接未來發展趨勢，將在國內塑料激光焊接技術推廣的道路上占據重要一席之地。

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本文章來源廣東順德華焯機械科技有限公司

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