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独具优势的激光焊接工艺 |
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作者：乐普科（天津）光电有限公司 王宪龙 |
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无论是过去还是现在，大多数的塑料产品在装配完成后，都需要连接工艺对其进行封装。而塑料连接作为一种专门的工业技术，迄今为止已经有超过半个世纪的历史了。最初，螺丝与粘合剂连接被广泛使用，但是这些工艺复杂而耗时。随着注塑成型工艺的不断发展，以及塑料在汽车工业中的应用愈加广泛，经济可行、可靠的连接工艺也得到了进一步发展。塑料焊接技术正是在这种环境下孕育而生的。面对固定成本不断增长的巨大压力，塑料焊接技术由于拥有降低成本的巨大潜力，因而在汽车工业以及其他多个产业中得到了更广泛的应用。
创新的连接工艺
目前，形形色色的焊接工艺已经被大家所熟知。最早出现的塑料焊接工艺是热板焊接，随后产生了超声波和振动等焊接方式，而激光焊接技术则是最新的发展成果。发展至今，包括摩擦焊接（振动焊接与旋转焊接）、超声焊接、微波焊接、高频焊接、热板焊接和激光透射焊接等在内的连接工艺正在世界范围内被广泛使用。同时，各种工艺之间也在为争取市场而竞争。
每种不同的焊接方式都有其特有的优势与不足，使用何种工艺主要取决于材料的特性、具体应用以及对焊接结果的不同要求。如热板焊接，被焊接塑料组件要接触到热板上，显然，对于那些极易粘附到加热板的塑料种类来说，该工艺并不合适。而振动焊接则仅适用于平面器件的相互焊接，但是被焊接元件之间的相对运动易造成元件的损伤，而且这种焊接方式往往会产生一些塑料颗粒，因此其对环境的影响必须事先考虑到。
相比之下，激光焊接技术则不受上述工艺因素的限制，而且兼具质量优势。随着激光器价格的不断下降以及一些新型应用的发展需要，先进的激光焊接技术正在被广泛认可。近10年来，在一些工业应用中，随处可见这种新工艺的身影。现在，没有其他任何一种塑料焊接工艺像激光焊接技术一样，能够拥有如此广阔的应用前景。
激光焊接
该技术诞生之初，不仅设备占地面积大，而且维护更是繁琐。随着体积更小、寿命更长的先进激光源的产生，使得激光焊接技术发生了根本变化，能够很好地保障工业化批量生产的应用需要。
相对于其他工艺，激光焊接技术更具成本竞争力，尤其在汽车零部件生产中，其成本效率更突出。作为一种非接触焊接工艺，激光焊接仅在焊点处施加垂直压力，从而能够将产品受到的机械应力降至最低，以保证焊接质量。另外，在焊接过程中没有任何振动产生，因而不会对塑料壳体以及内部的各种器件带来损伤。
现在，激光技术已经从一种实验室应用技术逐渐转变为塑料加工生产中的重要工艺选择。目前，该工艺可用于各种各样的电子塑料壳体的焊接，而这种标志性应用也极大地推进了激光塑料焊接市场的发展，其主要原因是，内部含有电子器件的塑料壳体无法使用超声波焊接，而螺丝与粘合方法的成本较高。
激光传输透射焊接
目前，激光焊接技术普遍采用激光传输透射的焊接方式。在这种工艺中，被焊接的两部分塑料组件有着不同的激光透射性能，其中之一是对特定波长的激光透射，而另一个能够吸收激光能量。目前，大多采用的是近红外频段的激光。
产品在焊接过程中需要卡压，最简单的方式是使用一块玻璃平板。激光几乎没有任何损耗地穿过卡压工具，并穿透上层塑料，到达底层塑料的表面。此时，激光被底层塑料完全吸收，并转化为热能。同时，热量从底层塑料通过热传导达到上层塑料的下表面，使两层塑料同时融化。当被焊接器件再次冷却时，塑料固化，从而形成一个牢固的焊接点。
根据应用范围的不同，焊接的方式也不一样。根据激光束在焊点上方不同的运动方式，激光透射焊接包括同步焊接、准同步焊接和轮廓焊接等几种不同方式。LPKF公司的复合焊接是一种经过改良的轮廓焊接专利技术。
准同步焊接
准同步焊接方式主要用于焊接面积较小的产品。该工艺通过激光束不断扫过焊接轮廓线，直到达到要求的焊接塌陷高度。在焊接过程中，激光束在扫描电镜驱动下运动（如图所示），光束在X轴和Y轴两个维度上被精确控制。由于扫描速度非常高，焊接材料几乎同时被融化，故称之为准同步焊接。塌陷高度可在焊接的同时被监测，以确保焊接的高质量。
集成在生产线上的准同步（扫描）焊接系统
该工艺的柔性很大，可以对扫描参数进行即需编程。需要改进或更换产品时，仅需编程即可，而无需更换透镜或掩模。在面积为400mm×400mm之内的器件焊接中，准同步焊接占据主导地位，而且焊接需要的固定夹具相对比较简单。但是，这种焊接方式无法焊接面积过大或焦深（Z方向，即第三维度）变化超过限制的器件，其主要的应用领域为传感器或电子器件的外壳。
轮廓焊接
不同于广泛使用的准同步焊接与同步焊接，轮廓焊接通过一个自动位置调节系统（如机器人）引导激光一次性通过焊线，并将其引入一个可自动调焦的移动式透镜中。更重要的是，这种焊接技术能够保证焊接的清洁性，因此无需再进行随后的清洁工序。
这种工艺的弹性很大，理论上能够焊接任何形状的器件。轮廓焊接几乎没有塌陷高度，而且焊缝可得到精确控制以达到非常细小的宽度，从而很好地满足了产品在光学性能上的苛刻要求。一般，轮廓焊接可用于较大型器件，以及在第三维度上变化较大的应用，如汽车灯具和太阳能面板等。另外，轮廓焊接还适用于汽车发动机舱部件的焊接，如进气歧管和油箱等，以及透明器件的焊接，如由PC(聚碳酸酯)制得的汽车天窗、前灯、尾灯和速度表盘的透明面板等。
复合焊接
复合焊接工艺可以被看作是普通轮廓焊接的改良技术。这种技术由LPKF公司与Bavarian Laser Centre (BLZ)公司于2005年合作开发成功。
复合焊接工艺并非仅仅依靠激光能量进行焊接，而是将激光与其他复色光源相结合。在复合焊接过程中，第二光源有两种作用：两个光源聚焦在同一点上，且光斑直径相对于激光要大很多。这样一来，焊点与周围环境之间的温度差异曲线变得相对平缓，相对于单纯的激光焊接，其热影响区域更大，温度峰值出现在光束的中央（这里正是激光束的影响区域）。
卤素光源被证明是一种不错的选择，其第二光源同样能够产生近红外波段的光，但不同于单一频率的激光，其产生的是频谱较宽的复色光。当复合焊接系统工作时，材料被激光慢慢加热至融化，再渐渐冷却——这些都是卤素灯加热的结果。由于能够很好地实现缓慢冷却，复合焊接技术能够有效防止内应力的产生。
由于卤素光源产生的连续光谱复色光相对于透明的上层几乎不会吸收任何激光，其大部分复色光能够被上层透明塑料吸收。因此，透明组件不用像普通激光焊接那样需要底层传导受热，而是直接吸收卤素光能量而达到相近的温度，从而极大地增大了激光焊接的窗口。
这种特殊的焊接工艺适用于焊接汽车的尾灯、前灯、仪表盘以及其他上层透明度较高的部件。这些部件通常采用PMMA或PC材料作为上层塑料部件。以生产车灯为例，复合焊接工艺的使用，可以完全省去“回火”工序。该套系统同样适用于对生产效率要求很高而产量很低的产品生产要求（如图所示）。同时，该工艺还可以配套使用通用型卡压工具，显著降低生产成本。
复合焊接系统的典型应用
激光源
激光焊接需要使用连续输出模式的大功率激光源，波长在近红外波段被证明是特别合适的。很多未改性的工程塑料对此频段的激光是透明的。
最初使用的激光源是波长为1?064nm的ND：YAG固体激光源，其激光特性基本符合塑料焊接的需求，但是相应的维护成本较高。随着大功率二极管激光器的迅速发展，目前已经替代了那些维护繁琐的固体激光器。二极管激光器的效率超过50%，但需有水冷装置以降低同时产生的热能。据介绍，这种激光源的寿命长达数万小时，且基本免于维护，很好地保证了工业化生产的实际需求。
光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。如果二极管激光源的光斑质量无法胜任某些特殊需求，光纤激光是一个不错的选择。LPKF公司表示，通过使用光纤激光技术，他们能够实现小于100μm的焊缝宽度。
过程控制
避免不良品或废品的产生与确保良品的可靠性同样重要。在很多生产型企业中，都采用一种被称作“0-ppm”的质量管理方式，即必须完全避免废品的产生，不合格的原件不能流入生产过程。这就要求生产者必须严格控制塑料件的质量，防止不良原件的产生，或焊接设备起码能够识别出这些不良品，并及时排除。这是因为，个别不良品产生的原因可能是由于原材料的缺陷，或焊接过程的失误造成的，而这些焊接缺陷往往会导致结合区域的密封不严或光学性能不佳，从而影响焊接质量。
通常，激光焊接有几种不同的过程控制手段。其中，准同步焊接技术采用检测焊接结合路径的方式，即测量焊接器件的塌陷高度并评估。通常，焊接过程在达到需要的正确尺寸时停止。
焊接缺陷还可以通过高温遥感计进行检测。这种方法通过测量焊接产生的热辐射来得出焊接质量的评估结果。在检测过程中，若出现任何温度异常，能够立即发现产生的焊接缺陷。
新材料的开发与添加剂
新材料的开发也是激光塑料焊接技术获得成功的重要因素之一。在最初阶段，仅添加了碳的黑色组件与未染色的相应组件能够进行激光焊接，并满足激光能量被底层塑料完全吸收的要求。随着越来越多的新材料被开发出来，现在已拥有了各种适用于激光焊接的颜色选择，可以实现任意颜色组件之间的焊接需求。同时，该技术潜藏的巨大市场潜力也正受到更多材料开发者的重视。
阻燃添加剂的进步也是激光焊接技术得以快速发展的另一个主要原因。过去，由于需要使用含磷添加剂而无法采用激光焊接技术。随着无卤阻燃剂的成功开发，上述问题已经得到很好的解决。
未来趋势
作为一种相对新颖的连接工艺，激光焊接技术有着巨大的创新潜力。随着激光源价格的下降，可以预见该技术的应用将会越来越广泛。现在，普通消费类产品也正在加入激光焊接的使用行列。
汽车产业始终都是激光焊接技术的主要市场，而经济危机的到来更迫使该产业寻找并建立成本效率更佳的生产和连接工艺。目前，很多实例一再证明，激光焊接技术相对于其他方法更具成本效率优势。如果这种趋势延续下去，先进的激光焊接工艺必将加速其普及和开发的步伐。
医疗技术产业也表现出了对激光焊接技术的强劲需求。该应用领域对制程的高洁净性有着苛刻的要求，而激光焊接技术能够很好地满足这些要求。相对于其他的常用连接技术，激光焊接技术无焊渣和碎屑产生，也不需要使用任何粘合剂，完全可以在无尘室中完成焊接工作，例如，焊接用于心脏介入治疗导管的球囊或类似的应用就很有力地说明了这一问题。
制造微流控芯片需要高精度的焊接工艺。通常，微流道无法通过其他焊接方式实现，或只能采用成本高昂的其他非焊接工艺。而采用激光并行焊接微流道边缘，能够在进行焊接的同时，使得流道也随之形成。
除此之外，激光焊接技术还可用于焊接更大型的器件，如汽车尾灯或类似常用的大型塑料部件等。即使是电视机外壳、洗衣机等大型产品的焊接，也都不再是难题。(end)
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(10/17/2012) |
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