激光塑料焊接技术及典型应用1073101 张利荣摘要：本文对激光塑料焊接技术及其原理进行了介绍，阐述了该项技术在应用中需要考虑的问题，并简要介绍了几个应用实例。关键词：激光技术；塑料焊接；透射焊接1 前言激光焊接技术在金属材料的加工领域应用广泛，其优异的性能早已被各个应用行业所接受，成果显著。随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑，塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料，被日益广泛地应用在各行业的零部件设计、制造上，传统的金属部件越来越多地被拥有同样工作性能的塑料部件替代，同时对塑料零件之间的焊接连接技术和焊接质量也提出了更高的要求，这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。2 激光塑料焊接的原理激光塑料焊接利用透射焊接原理(原理图见图1)，选用红外激光作为焊接热源，一般以800nm1100nm波段的激光为主，这一波段的激光对于大部分可焊接的透明或有色热熔塑料来说吸收率比较低，激光穿过这些材料时能量损失很少。焊接时叠加在一起的上下两层材料需要满足一定的要求:上层材料为透射区，对于焊接所采用的激光应具有较高的透过率；而下层材料为热作用区，需要对激光具有较高的吸收率。满足了以上的两个条件就可以保证激光以较少的能量损耗透过上层材料到达下层材料的表面，由于下层材料具有较高的吸收率，激光在两层材料的结合面处被吸收并产生热量，使得该处的塑料熔化，在适当压力作用下发生二次聚合，这样冷却后在上下两层材料之间形成焊缝而使它们连结在一起。图1激光透射焊接原理3 激光塑料焊接优势和特点伴随着塑料材料和激光设备的进步，塑料焊接逐渐成为激光焊接的一个新兴的、充满希望的应用领域。在某些应用中，激光塑料焊接比传统的超声波焊接、振动焊接、热平板焊接等工艺更具成本和性能方面的优势，详见表1。表1激光塑料焊接相对常用塑料连接方法的优点相对于超声波和振动焊接的优点相对于热板和热气焊接的优点相对于热塑和胶连接的优点机械应力低；不损伤表面；无焊渣；工具费用低。热应力低；无溅射、毛刺少；生产周期短；机器和工具费用低。无需额外材料；过程控制容易；焊接质量高、稳定；生产周期短。激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优点【1】：(1)焊缝尺寸精密、牢固、不透气不漏水，焊接表面完好无损；(2)在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少，符合食品医药行业要求；(3)与其他熔接方法比较，极大地减小了制品的振动应力和热应力；(4)能够将多种类不同的塑料材料焊接在一起(其他焊接方法有较大限制)；(5)易于控制，擅长焊接具有复杂外形(甚至是三维)的制品；(6)能够焊接其他方法不易达到的区域。4 激光塑料焊接需要考虑的几个问题4.1 激光波长的选择激光塑料透射焊接通常使用近红外波段的激光作为光源，包括半导体激光(波长808nm-980nm) 、Nd ： YAG激光(波长1064nm)和近年来发展势头比较迅猛的光纤激光(波长1050nm-1500nm )等，这些波段的激光在热熔塑料中均具有良好的透过率，而且可以和光纤耦合，传输光路比较简单，可以通过将聚焦头安装在机器人手臂上来实现数控精密焊接。对于波长处于10.6m波段的二氧化碳激光，由于塑料材料对其具有较高的吸收率，所以它的焊接过程属于热传导焊接，塑料材料对它的吸收由表及里，逐步深入，因此二氧化碳激光只适合用于焊接较薄的薄膜材料，当焊接材料具有一定厚度时，二氧化碳激光将两层材料熔合在一起的同时也会使得表层材料被熔化，造成过熔甚至碳化，焊缝形态和质量都不高。4.2 对塑料材料的要求塑料材料可以分为热塑性塑料和热固性塑料两大类，对于热塑性塑料来说，可以采用常规塑料焊接（振动、超声波、热板)的方式来连接，所以理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。由于采用的是激光透射焊接原理，所以对于需要焊接的热熔塑料材料应满足一定的透过率要求，一般说来，当上层透过材料对近红外线激光的透过率高于50%，下层热作用区材料透过率低于20%时，激光塑料焊接会获得较好的效果【2】。4.3 吸收剂的使用吸收剂的使用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。当底层热作用区塑料材料对红外激光透过率太高而不能吸收足够多的激光能量时，会影响到焊缝的形成和强度。此时需要借助吸收剂来提高吸收率，来获得理想的焊接效果。吸收剂既可以在注塑时同步加入到材料中，也可以灵活地喷涂或印刷在焊件的接触面上。碳黑是最常用的理想吸收剂，它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。但是当焊件为透明或有色材料时，如果采用将碳黑涂抹在焊件接触面的方式，焊缝颜色会变深，与母材颜色反差较大，不够美观。英国焊接学会（TWI)研制出了一种叫做Clearweld的染料吸收剂，使用它作为吸收涂层来焊接透明或有色材料时可以得到透明的焊缝【3】，因而焊接成品看起来美观精致。相对碳黑吸收剂，这种可以形成透明焊缝的吸收剂更受青睐，它也代表了吸收剂的研究发展趋势。4.4 焊接的工艺参数激光塑料焊接涉及的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、光斑直径、夹具压力等，这些参数要结合焊接材料的物理化学特性来筛选优化，合理搭配，才能获得理想的焊接强度和效果。5 激光塑料焊接的典型应用5.1 汽车进气歧管激光焊接发动机进气歧管（AIM）（见图2）是汽车动力系统主要部件之一，传统材料为铸铝。从20世纪80年代起，制造塑料AIM成为一种趋势。塑料进气歧管管壁光滑、气流阻力小、进气效率高、质量轻，因而提高了发动机性能和燃料利用率，目前已被广泛使用。图2 汽车发动机进气歧管塑料AIM最初采用去芯成型法来制造，产品为整体式结构，采用的是BASF公司研制的尼龙树脂。由于去芯成型法的成功研制，AIM塑化的进展不断加快【4】。去芯法制造塑料AIM的工艺与铸铝AIM的铸造工艺相似，虽然成本相对便宜，但还是具有设备投入大、成型工艺复杂、生产效率低等局限性，因而逐渐被低成本的Multi-shell方法超过【5】。Multi-shell方法将AIM分成两块或多块来注塑成型，然后采用焊接的方法将各部件相焊接组合在一起，这使得注塑周期和成本大大降低，逐渐成为塑料AIM制造的主要方法。目前塑料AIM焊接主要采用振动焊接的方法，它具有焊接速度快、成本低、质量好等优点，但是在工艺上要求所有焊缝都处于同一平面之上，从而大大限制了设计师的思路。随着激光焊接工艺在塑料材料领域的应用，尤其是看到激光塑料焊接可以克服振动焊接工艺对AIM设计上的限制，非常适用于制造复杂结构和形状的AIM后，许多厂家都在投入精力研发适合激光焊接的尼龙材料。例如德国拜耳公司推出3个可激光焊接黑色玻纤增强尼龙6牌号；杜邦公司开发出激光焊接尼龙66配混料；而BASF公司开发出尼龙6配混料。这些材料都可以满足激光塑料焊接对透射率的特殊要求，使得塑料AIM激光焊接取得了很大的进展。激光焊接法与振动焊接法相比，除了可以制取结构和形状更复杂的AIM外，由于成型条件温和，产品在高温条件(150)下仍可以保持较好的焊接强度，而且制品表面没有焊珠，空气流过时不会产生涡流。此外还具有焊接质量好、强度高、残余应力小、不产生翘曲和粉料、容易实现自动化等一系列优点。凭借着独特的优势，激光焊接技术逐渐成为新型塑料AIM制造的重要焊接手段。52 汽车尾灯激光焊接汽车的尾灯是一个重要的功能器件，随着汽车工业的进步，汽车的外观设计也越来越受到重视。为了保持车灯外观的美观，要求车灯的灯座和灯盖之间密封性好，强度高，焊接线不能被看出来，而且不能改变透明材料的颜色和通透性，对于这些要求，常规的热板焊接、振动焊接等方法无法实现，而激光塑料焊接的特点则可以满足这些要求。一般来说，用于激光焊接的汽车尾灯灯座由添加了吸收剂的有色丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)树脂组成，它对红外激光具有较高的吸收率。灯盖采用对红外激光具有高透过率，并添加了红色颜料的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)透明材料。在施加了一定压力的情况下，激光可以很好的将二者焊接在一起，而且焊接效率高，焊接质量稳定，无气泡裂纹，表层灯盖的光学性能不受影响，焊缝轨迹很难看得出来。由于车灯外形的复杂性，对其进行激光焊接的设备需要具有三维焊接的能力，所以一般采用机器人来作为焊接轨迹运动的执行机构(如图3)，激光通过光纤传输到焊接区，这样的配置具有非常好的柔性，而且自动化程度高，适合在线批量化生产。图3 Leister公司Globo焊接系统焊接尾灯53 传感器激光封装传感器在自动化设备、检测仪器以及各种监控现场的应用越来越广泛。一般来说，传感器内部拥有精细的电路和敏感的传感原件，然而它工作的环境通常比较复杂和恶劣(高温、高湿、粉尘、腐蚀性等)，为了杜绝这些因素对传感器的损害，采用密闭的外壳对其保护是非常必要的。对于传感器封装来说，焊接密封效果最好，也是最常用的封装方法。而拥有绝缘性、耐腐蚀、耐高温、抗冲击、防潮等特性的塑料功能材料常常作为防护外壳的首选。高端的传感器对塑料外壳焊接封装的技术要求比较高，随着激光塑料焊接技术的发展，传感器外壳封装逐渐成为该项技术的重要应用，非接触式的激光焊接不产生振动，用于产生热量的激光能量也可以灵活控制，所以采用激光焊接可以克服振动焊接时的高频振动以及热板焊接时的热源对传感器内部器件造成损害的现象，大大地提高传感器生产成品的合格率和性能。图4是一款应用于自动变速箱的线性选择距离传感器，安装在油箱和档位控制器附近，现场环境恶劣，因此其外壳的焊接是个特别挑战，必须确保其密封性终生可靠。在细致评估了各种焊接方法后，最终选择了激光焊接的封装方法。考虑到变速箱环境条件，外壳材料选择了GF25的PA66T。下面壳体添加了碳黑以吸收激光，而上面盖子是本色PA66T以便激光透过。图4 应用激光焊接技术封装的传感器6 结束语激光塑料焊接作为一种新兴的塑料焊接技术，以其独特的技术优势和特点弥补了常规塑料连接手段的不足，从而使这项高新技术在塑料材料高品质、高附加值加工领域获得了一席之地，伴随着激光加工设备的不断发展以及配套塑料材料供应渠道的建立和完善，激光塑料焊接技术必然会获得越来越大的发展。参考文献【1】Waldemar Sokolowski，Peter Bruns etcNew Laser Systems for Laser Materials Processing AProceedings of the 23rd International Congress on Applications of Laser and Electrooptics C2004【2】王又良，崔瑛，王健超，等塑料的激光焊接工艺 J应用激光，2006(4)：9396【3】Hartley S，Sallavanti RAClearweld laser Transmission Welding of Thermoplastics Polymers：Light Transmission and Color Considerations JProc SPIE，2002(483)：63-68【4】旧桥章K2001IJ.2002，48(3)：119【5】唐伟家，吴汾汽车进气歧管用塑料及其成型方法 J汽车工艺与材料，2004(10)：39-42.