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塑料焊接机/熔接机 |
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单脉冲旋转激光焊接 |
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作者：MATTHIAS POGGEL 来源：德国Kunststoffe international杂志 |
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热塑性塑料采用激光焊接具有诸如焊接能量非接触式供应、加工过程无振动，并且焊接区域四周无热应力或释放出颗粒物等优点，因而能保证部件具有很高的光学和机械性能。焊接加工良好的重复性也能保证高的焊接质量和加工稳定性。这种方法能用于微组件之间防松连接（form-locking joints）的焊接，并且可采用高强度焊接光束来进行大部件之间防漏连接（leak-tight joints）的可重复性焊接。在超声焊接、振动焊接或者热烙铁焊接等焊接方法已经到达极限的领域，激光焊接可实现塑料件之间的连接。 
径向焊接原理
搭接焊或者透射焊接已成为主要的焊接工艺。在这些工艺中，激光束通过其中一个具有适度透明度的连接部件而进入连接盘。这样的话，激光束的能量能被部件吸收而几乎全部转换成热能。这些热能使连接件塑化，并通过热传导使透明连接件也产生塑化。当塑料件冷却下来的时候，它们就会连接到一起。无论如何，在焊接过程中防松连接的接触部分必须能导热。
对于透射焊接而言，由于塑料良好的光学性能，二极管激光、钕：氧化铝合成晶激光和光纤激光都可作为光源来用于塑料部件的焊接。合适的激光源应根据加工变量来进行选择。
加工变量的比较
不只是与部件尺寸有关的应用，其他的多种应用也已因加工变量的开发而得以实现。图1所示分别为轮廓焊接、同步焊接、准同步焊接、掩膜焊接和球体焊接（globo welding）的方法（从左至右）。
图1 激光发射焊接的不同方法
(从左至右：等高线、同步、准同步、掩面和圆形焊接的方法)
在轮廓焊接方法中（图1左图所示），几乎任何形状的焊缝都能生成。一束激光波束随着自由编程的焊缝轮廓线的引导而移动，这样部件就能被依次焊接。在一定范围之内，也可以焊接三维的焊缝轮廓，并且相对不容易进行的位置也能被焊接。
图2 激光旋转焊接原理
在同步焊接中(图1，从左至右第二张图所示)，通过特殊排列的激光二极管或者与部件相适的光学系统，激光被同时用到连接表面的整个焊接轮廓上。激光束和部件之间不需要产生相对移动。同步焊接具有焊接时间短的特别，并且特别适用于大批量的焊接。
在准同步焊接方法中，激光束被扫描镜引导而高速地沿焊接轮廓移动(图1正中图所示)。这使得连接面每秒钟可被扫描数次。部件的整个连接面几乎同时被激光光束所加热和塑化。
除了这些提到的标准方法外，基于实用性的技术开发正延伸激光透射焊接的应用可能性。它们包括Leister加工技术公司专利所有的掩膜焊接和球体焊接方法，也含最新开发的径向焊接方法（radial welding）。
掩膜焊接的原理如图1所示(从右至左的第二张图)。一个反射掩膜被放入部件和激光源之间。它能使激光束仅通过部件上需要焊接的位置。线性激光束穿越整个掩膜。采用适合的激光系统，能够生成宽度仅为100mm的熔接线。同样，焊缝尺寸小达数微米也使得该技术可用于结构敏感部件的焊接。此项技术允许微流体领域中的小部件，以及宽度达100mm的大型部件在一次操作中达到快速而精确的焊接。
球体焊接是基于轮廓焊接方法的原理而发展起来的。一束激光波束由气垫式的无摩擦旋转球面玻璃透镜聚焦到部件的分界面上(图1右图所示)。球面玻璃透镜起机械加压工具的作用，并在沿与分界面垂直的方向持续加压，与工作面形成点式接触。压力接触点总处于光学系统的轴向方向。因而激光束仅对有接触压力的点起作用。焊接过程在接触压力的作用下发生，以确保高焊接质量。
激光旋转焊接
诸如管或者软管连接的旋转对称部件的激光焊接可由不同的处理方法来实现。在激光旋转焊接（Laser Rotational Welding）方法中，部件围绕其中心轴旋转。固定的激光点波束在部件连接面的径向进行作用以形成焊缝 (图2所示)。所需的焊接压力通过在焊接区域的紧配合结构来施加。设计这种紧配合结构时必须考虑部件的硬度。通常1N/mm2量级的接触压力就足够了。
由Leister开发的一种变异方法 — 径向焊接，能在不移动部件的情况下对对称性部件进行焊接。在焊接过程中，部件被固定在与一个圆锥形镜同中心的位置上。激光束在镜子上形成一个环形通路并形成偏离，激光便放射性地照射到部件上。这就形成了围绕部件密封的连续焊接 (标题图片)。
基于轮廓焊接原理的激光旋转焊接和径向焊接的发展是一个渐进过程。在这种情况下，焊接轮廓通过点聚激光束和部件之间的相对运动来形成。除了这些方法外，特殊的激光束制导和成型方法也对旋转对称性部件的同步焊接的实施提供了可能。这种方法需要特殊的光学器件，以在焊接板上形成环形能量密度分散。这些光学器件被设计和制造成不同的圆环直径和线宽。在这种情况下，激光束在圆锥镜周围同时发生反射，并放射状地作用在部件上。环形焊接同时进行并且激光束、反射镜和部件之间没有相对运动。
与此同时进行的焊接过程具有这样的特征，即整个轮廓的焊接通过辐射脉冲一步同时进行。与轮廓焊接方法相比，该工艺大大缩短了焊接的时间。激光作用的时间增加了，并且不再需要高成本的移动系统。此工艺在产品批量生产时特别具有吸引力。
采用激光焊接工艺时，材料的光学性能对其熔化行为尤其关键。在焊接区域，放射式焊接所需的紧配合在焊接过程中受部件热膨胀及热影响区域材料软化的影响。为了形成一个甚至在焊接过程中都有效的紧配合，外部部件必须具有高透明度，以便在激光传播过程中产生的热能尽量避免。内部部件(吸收介质)必须能有效地吸收激光能量，尤其当它是壁薄部件或者由软材料制成时更是如此。部件的熔化深度可通过降低辐射的深度及缩短作用时间来使其最小化，因而能保证紧配合的保持。
实例
图3 典型例子：用于传动带张紧装置的烟火执行器（pyrotechnic actuator）的熔合
旋转对称塑料部件的径向焊接能用于不同的工业领域。在汽车工业中，燃料系统中的软管连接、引擎室内的传感器外壳或者执行器(图3所示)都能用此方法来进行焊接。针头安全盖(图4所示)、导液管及医学科技所用的管道都能像许多大小家用电器中轴向对称部件一样容易地进行焊接。
图5 典型例子：一种家用电器的管接头
Leister加工技术公司用径向焊接原理在制造单元(图6所示)内生产出管接头(图5所示)。一种典型的Novolas Basic AT激光系统在此加工中被采用。其可提供的激光功率在75瓦到200瓦的范围。光纤耦合二极管激光器和径向光学系统组成的激光系统由4位式分度转盘连到制造室内。以下加工步骤分别在四个位置上被执行：
1. 塑料部件的加载及OK部件的卸载。
2. 两个连接头被气压缸通过限定的方式连接到管连接器上。
3. 通过径向光学部件的移动，连接头依次被焊接。
4. 管路连接部分的泄露测试，包括非OK部件的排除。
激光功率、焊接时间和泄露测试参数等加工参数能在触摸屏上进行编辑。
图6 管接头径向焊接的制造单元
总结
人们对塑料部件和产品需求的不断增加通常也会导致对连接技术需求的增加。这些诸如高焊接强度、焊缝气密性和光学性能优异的质量需求都能通过激光焊接技术来得到满足。
因为所需的加工时间短，径向焊接在成本效率和可靠地进行旋转对称部件的同步激光焊接方面具有很大的潜力。举例说明其优点，如部件的易于处理，不需要移动部件等。
该工艺在许多工业领域有很大的应用潜力，如汽车和消费产品领域。径向焊接是一项令人感兴趣的在短的加工时间内获得高质量焊接效果的选择。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/15/2009) |
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