激光焊接塑料由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，正成為激光焊接領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，受到行業(yè)的廣泛關(guān)注，它將取代傳統(tǒng)的塑料焊接方法。本文主要介紹了塑料激光焊接技術(shù)的原理、應(yīng)用和發(fā)展前景，并簡要介紹了我公司開發(fā)的塑料激光焊接設(shè)備。

一、 塑料激光焊接技術(shù)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(shù)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(jié)合面處被吸收并產(chǎn)生大量的熱量，同時(shí)，熱量通過熱傳導(dǎo)由下層材料傳到上層材料，使得結(jié)合面處塑料熔化，在夾緊力的作用下二次聚合，冷卻后在結(jié)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(qū)中，輪廓焊接是最具“靈活性”、簡單、流行的技術(shù)。在該過程的進(jìn)行中，激光光束在焊接區(qū)被聚焦成一個(gè)點(diǎn)，并沿著輪廓線移動(dòng)，如圖1(a)所示。光束的運(yùn)動(dòng)可以通過計(jì)算機(jī)軟件控制，在它上面的焊件是被固定的，或者通過機(jī)器人手臂攜帶固定焊接頭。機(jī)器人的使用大大加寬了輪廓焊接的應(yīng)用范圍，并將其提升到與超聲焊接和振動(dòng)焊接競爭的位置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它的實(shí)質(zhì)性的“靈活性”，機(jī)器人的可編程隨機(jī)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(dòng)，首先根據(jù)焊接區(qū)域定制激光頭，通過多個(gè)二極管激光束發(fā)射出激光同時(shí)作用于輪廓線上使得焊接區(qū)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(diǎn)在于，使用的裝置復(fù)雜，它的鏡頭必須根據(jù)焊接區(qū)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(zhǔn)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(qū)域沿著輪廓高速掃描，每秒可掃描數(shù)次，使得焊接區(qū)域近似于被同時(shí)加熱熔化，從而形成焊縫，如圖2(c)所示。因此，焊接強(qiáng)度及焊接質(zhì)量與激光掃描速度、掃描圈數(shù)和激光強(qiáng)度有關(guān)。準(zhǔn)同步焊接的優(yōu)點(diǎn)是自由度高，靈活性好，尤其適合簡單的二維焊接，如手機(jī)外殼、電子元件外殼等。

(d)掩膜焊接

使用一個(gè)可吸收或反射激光的膜，激光束投射到焊接區(qū)域，并使激光束或焊件移動(dòng)，目標(biāo)焊接區(qū)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(qū)域，因此掩膜焊接十分“靈活”，形狀復(fù)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(dá)到微米級，該方法已經(jīng)在精度和小尺寸元件焊接上得到應(yīng)用，包括醫(yī)療、電子、和電氣行業(yè)。

(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(jī)定位后投射到焊接區(qū)域經(jīng)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(jù)電機(jī)掃描的速度可作輪廓焊接或準(zhǔn)同步焊接，如圖2(e)所示。反射焊接產(chǎn)量高，并且無需夾緊裝置，特別適合于直徑不同和無需旋轉(zhuǎn)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(xué)元件對激光束整形，再通過掩膜使激光束投射到焊接區(qū)域加熱熔化并形成焊縫。衍射焊接通過光學(xué)元件使得光斑大小可達(dá)微米級，因而可進(jìn)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(jìn)行密封焊接。

3.塑料激光焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

塑料激光焊接作為激光焊接的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的超聲波焊接、熱板焊接、振動(dòng)焊接、膠連接等工藝相比，在成本和性能上更具優(yōu)勢，如表1。

表1 塑料激光焊接對比傳統(tǒng)塑料焊接工藝的優(yōu)勢
 
塑料激光焊接技術(shù)主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

• 焊縫精密、牢固，不透氣且不漏水，密封性能好；
• 無殘?jiān)桑蚨軐⒑讣o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(jì)算機(jī)軟件控制激光、光纖輸出激光，可焊接尺寸較小或外形復(fù)雜（甚至三維）的制品；
• 極大地減小了制品在焊接過程中產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)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(shè)備體積小，操作簡便，成本低，維護(hù)方便。

二、 塑料焊接技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景 1.塑料激光焊接在汽車零部件上的應(yīng)用

為了提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率，一個(gè)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(zhì)輕、耐腐蝕、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，越來越廣泛的被應(yīng)用于汽車零部件上。

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管材料為鑄鋁，如圖4所示。從20世紀(jì)80年代起，由于塑料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管管壁光滑、效率高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，代替鑄鋁被廣泛應(yīng)用于進(jìn)氣歧管制造中。使用激光焊接不僅可以制取結(jié)構(gòu)和形狀更為復(fù)雜的進(jìn)氣歧管，并且焊接質(zhì)量好、強(qiáng)度高、殘余應(yīng)力小、無焊渣、易于自動(dòng)化生產(chǎn)，因此，激光焊接技術(shù)逐漸成為新興塑料進(jìn)氣歧管制造的重要焊接手段。

圖4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管
 
隨著社會的進(jìn)步，汽車的外觀設(shè)計(jì)越來越受到重視，而尾燈作為汽車的一個(gè)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(shù)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(qiáng)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(tǒng)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(chǎn)品的封裝，工藝穩(wěn)定性高，焊接強(qiáng)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(yán)格。通過塑料激光焊接技術(shù)焊接的儀表盤，焊縫密封性好，連結(jié)強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)傳感器等，塑料激光焊接技術(shù)也在其中得到廣泛應(yīng)用。

2.塑料激光焊接在醫(yī)療器械上的應(yīng)用

塑料激光焊接技術(shù)在醫(yī)療器械上主要應(yīng)用于注射器系統(tǒng)、醫(yī)療電子設(shè)備、人造移植及造口產(chǎn)品等。

采用掩模焊接方法焊接得到的耳垢防護(hù)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(chǎn)品的無菌性。
在高端醫(yī)療產(chǎn)品中，采用Globo焊接工藝應(yīng)用于人造瘺護(hù)理產(chǎn)品，如圖9；對于針尖保護(hù)帽，如圖10，可采用同步焊接工藝。焊接產(chǎn)品環(huán)保，焊縫性能穩(wěn)定。

生物醫(yī)療分析儀器要求無菌、無化學(xué)物質(zhì)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(qū)小。生物醫(yī)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(tǒng)，一般用來采集或分析液體物質(zhì)。由厚度只有幾毫米到20微米的塑料片構(gòu)成的微流道，結(jié)構(gòu)十分精密，通過掩膜焊接可以實(shí)現(xiàn)焊接過程。
 

圖12為醫(yī)用導(dǎo)管，由于材質(zhì)、柔軟度在使用時(shí)依其接觸部位的不同而要求不同，通過激光焊接的醫(yī)用導(dǎo)管，連接強(qiáng)度高、表面連續(xù)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(dá)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(diǎn)，能夠保證焊后產(chǎn)品的生物相容性、穩(wěn)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(chǎn)品上的應(yīng)用

對于電子產(chǎn)品的封裝，焊接環(huán)境和工藝十分重要，必須滿足塵埃量低、熱量低、無強(qiáng)震動(dòng)、封裝精度高、焊縫強(qiáng)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(shù)有巨大的發(fā)展空間。

傳感器內(nèi)部有精細(xì)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(jìn)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(huán)境下耐受性良好，并且激光焊接為非接觸式不會產(chǎn)生振動(dòng)，大大提高了傳感器生產(chǎn)成品的合格率和性能。

圖15的電路板采用激光焊接技術(shù)進(jìn)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(yīng)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(yè)成品的包裝，采用塑料薄膜焊接技術(shù)，可得到焊縫牢固、外表美觀的塑料包裝。

5.發(fā)展前景

目前二維塑料激光焊接技術(shù)在設(shè)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(shè)備的研制及三維激光焊接塑料的相關(guān)研究將成為塑料激光焊接未來的發(fā)展趨勢之一。

三、本公司塑料激光焊接系統(tǒng)簡介 
廣東順德華焯機(jī)械科技有限公司地處中國家電之都，機(jī)械裝備之鄉(xiāng)的佛山順德中國南方智谷A區(qū)，其技術(shù)主要依托于國家級科技轉(zhuǎn)化中心——制造裝備數(shù)字化國家工程研究中心。公司專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)由華中科技大學(xué)在激光加工、數(shù)字制造領(lǐng)域的一大批專家教授組成，目前擁有專業(yè)員工近50人，其中具有博士碩士學(xué)位的高端技術(shù)研發(fā)人員18人。

華焯主要從事激光加工設(shè)備（尤其是塑料激光加工）及自動(dòng)化成套輔助系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。公司技術(shù)實(shí)力雄厚，技術(shù)帶頭人均為國內(nèi)激光加工領(lǐng)域的頂尖專家，主要研發(fā)人員均為博士以上學(xué)歷，是華中科技大學(xué)研究生的定點(diǎn)實(shí)訓(xùn)基地，是國內(nèi)首家專業(yè)從事塑料激光焊接設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，是目前國內(nèi)塑料激光焊接技術(shù)的引領(lǐng)者。

華焯開發(fā)的塑料激光焊接機(jī)，配備了國內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體激光器，采用PLC控制，人機(jī)交互界面，在線視覺監(jiān)控，精密導(dǎo)軌、滾珠絲桿、伺服電機(jī)等，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀塑料制品的三維自動(dòng)化焊接，提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動(dòng)成本，較少噪音污染。
 

表2 三維塑料激光焊接系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)

圖20 精密小型塑料激光焊接機(jī)

表3 精密小型激光焊接系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)本塑料激光焊接機(jī)系列可用于各種

復(fù)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(chǎn)品的高質(zhì)量、高效率、自動(dòng)化焊接。利用本焊接系統(tǒng)進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)，焊縫寬度為55mm，部分試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。 

表4 部分試驗(yàn)結(jié)果

利用本焊接系統(tǒng)，進(jìn)行了ABS材料的美的空調(diào)離心空調(diào)風(fēng)葉的焊接，如圖28所示，并對焊接樣件進(jìn)行了軸向拉力測試、動(dòng)平衡測試、溫度沖擊測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)葉可承受超過4.5KN的軸向拉力，焊后的風(fēng)葉的動(dòng)平衡完全符合產(chǎn)品要求，而且樣件在冷熱溫度沖擊下，性能穩(wěn)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(tǒng)焊好的液冷燈，焊縫為環(huán)形，密封性好，無漏氣、漏水，焊接強(qiáng)度高。
 

圖22利用本塑料激光焊接系統(tǒng)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(tǒng)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(lán)色玩具頭的焊接，貼合材料均為白色透明材料，在內(nèi)層透明塑料表面涂clearweld試劑后，利用本系統(tǒng)進(jìn)行激光焊接，焊縫牢固可靠，無縫隙且美觀。

四、 結(jié)論 
激光焊接塑料因其焊接速度高、干凈無污染、設(shè)備簡單、無振動(dòng)、不損壞焊件等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為激光焊接領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，在國外已被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。然而，目前國內(nèi)對于塑料激光焊接技術(shù)的應(yīng)用極少，尤其是三維焊接，仍處于起步階段。我公司開發(fā)的三維塑料激光焊接系統(tǒng)，緊跟市場需求及塑料激光焊接未來發(fā)展趨勢，將在國內(nèi)塑料激光焊接技術(shù)推廣的道路上占據(jù)重要一席之地。

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本文章來源廣東順德華焯機(jī)械科技有限公司

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