激光焊接的原理介绍及其在塑料熔接上的实际应用

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激光焊接的原理介绍及其在塑料熔接上的实际应用
; ]% o* G9 _( Z  m: S# A7 {激光焊接原理
　　
, A2 m" g( n" z' R: }' @　　利用激光把两件塑料部件焊接，首先把部件夹紧在一起，然后以近红外线激光NIR（波长810-1064nm），透射过第一个部件，然后被第二个部件吸收所，所吸收的近红外线激光化为热能，将两个部件的接触表面熔化，形成焊接区。这种焊接方法，能够造出超过原材料强度的焊接缝。
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　　激光焊接优点多
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& d5 ]# I* i5 u! y' C) M4 s. f9 C　　应用激光焊接熔接塑料部件，其优点包括：
·焊接缝尺寸精密、牢固、不透气及不漏水
; L! ~0 ~% C8 F2 @/ M; a5 J. |2 _; U·在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少。部件表面能够严密地连接起来
·与其他熔接方法比较，大幅减少制品的振动应力和热应力
·能够将多种不同塑料焊接起来（其他焊接方法有较大限制）
·擅长焊接具有复杂外形（甚至是三维）的制品；能够焊接其他方法不易达到的区域，　　由于激光焊接具有上述优点，所以特别吸引那些寻求更清洁的方式来熔接复杂部件的加工商，例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。
　　
　　多家公司相继推出激光焊接设备
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　　以往一段颇长时间，激光焊接未能在塑料的熔接上应用，这情况已逐渐改变，欧洲的Bielomatik、Leister、Branson等公司相继推出专门用于塑料焊接的激光设备，而新型的塑料和添加剂，令彩色塑料制品的激光焊接成为可能。塑料供应商亦不断改进现有配方，藉此优化塑料对激光的透射率或吸收率。各种因素配合下，令塑料制品的激光焊接工艺迅速发展。事实上，在某些应用中，激光焊接比超声波焊接、振动焊接、热平板焊接等工艺更具成本和性能方面的优势。

. z7 U1 }' M! B2 e　　激光焊接前景乐观
　　
　　Branson公司表示，由于激光焊接不会产生残渣，因而适合应用于美国食品及药物管理局（FDA）管制的医药制品，以及汽车制品和电子传感器。Bielomatik公司亦认为这种焊接技术，大大减少制品的振动应力和热应力，是焊接易损坏的制品（例如电子传感器）的理想选择。Leister公司则指出，其他的焊接方法难以将两种在结构、较化点和填充物料等多种性质不同的聚合物接连、而激光焊接却能应付自如。

  o3 ?, A+ t9 g6 n3 V) a, d' l　　Novolas焊接设备

( M2 w1 ^5 X( ?- D( |　　Novolas生产线是Leister公司最新推出的设备。此生产线使用了高功率的二极管激光器，每个激光器的功率为25W或更高，提供以下型号的设备：
Novolas C型焊接机-这是一台特形焊机，又是点焊机。它可以采用移动制品而固定激光点的焊接方法；又或者采用移动激光点而固定制品的焊接方法。其最大焊接面积为250×250mm，焊接几何形状时非常灵活，但缺点是焊接速度转慢。
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　　Novolas S型焊接机-该机使用[同步]焊接技术，原理是将激光束校准成一条直线或曲线，同一时间射结合处，光束和制品都不需移动。采用这种技术的优点是焊接速度快，但缺点是在焊接几何形状时受到限制。
　　
' K, o" K- C- o# @8 |: F1 K　　Novolas M型焊接机该机使用[同步]掩膜焊接技术。Leister公司向客户提供以照相平版印刷术制造的薄膜掩膜，用来掩盖制品不需焊接的部分，固定的激光束只加热制品上那些没被掩遮的部份。这种技术的好处是解决了S型焊接机的焊接几何尺寸所受到限制。再复杂的焊接形状，例如圆形或螺旋形，均能使用这种方式。此技术能生成更细更精确的焊接缝（焊接缝只有0.1mm），而且焊接缝的宽度可以变化。虽然同步掩膜焊接所需的准备时间比特形焊接较长些，但在大批量生产时，成本效益更好。Novolas M系统特别适合医药设备的微型连接。
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! n* f) t  p3 E　　Laser-Tec Qslw系统
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  L7 x2 o4 c' |  y　　Bielomatik公司生产的Laser-Tec QSLW系统，采用一种被称为[准同步]的焊接技术，使用输出能量为70-250W的固态钇铝石激光器及高速扫描镜，可以使激光束每秒扫描全部接缝40次，生成的焊接只有0.1mm。这种激光系统现正应用于生产汽车的电子开门器。其他应用还包括汽车空气进气管上的传动装置和中控锁、变速箱、安全气囊、油压传感器和发动机传感器等。如果将多台Laser-Tec系统组合应用，更可焊接车辆的驾驶舱、压力容器、大型的集成传感器等。
8 c1 T5 }2 ?9 S　IRAM激光焊接装置
3 w% W5 l9 L% x9 q) w- p2 L$ aranson公司生产的IRAM激光焊接装置，包括：同步型及特形型两个系列。每系列可提供三种规格的激光焊接装置：小功率（150-450W）、中功率（600-900W）、大功率（900-1，350W）。

　　Herfurth公司的高能激光器

3 [; F0 o2 r" t8 p3 E/ w　　英国Herfurth公司生产的高能激光器，功率在250-1，000W之间。由于采用了高能量的激光。令焊缝强度非常高，能处理那些对激光透射率低，很难焊接的材料及颜色种类。例如把聚丙烯（PP）和玻璃纤维增强的缩醛塑料两种材料焊接，或用于将聚酯和聚丙烯制造的薄膜，与管道及连接器焊接起来，制品成医药上的流体输送系统。
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　　配合激光焊接的材料
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  M* ]6 l/ c/ {9 G4 `7 `8 b# n6 u" s, X　　为配合激光焊接的发展，塑料生产商均积极研究能够配合激光焊接的材料。杜邦公司指出，聚合物对近红外线激光的透射率至少达到20-50%，才能获得优良的焊接效果，而绝大多数的本色塑料和很多有色的半透明塑料都达到此透光率要求。换句话说，绝大部分塑料都能够被激光焊接。另一方面，塑料对近红外线激光的吸收率亦是影响焊接效果的重要因素，而大多数热塑性塑料加入适量的碳黑后，就可以大幅提高其对激光的吸收率。但激光焊接对一些材料而言，还存在一定的局限性。其中的典型例子是PPS和LCP等塑料，由于对近红外线激光的透射率很低，若光两种材料都填充炭黑时，由于两者都是黑色，激光无法穿透，所以不能以激光焊接。相反，若两种材料都属于透明或者白色，近红外线激光都能透射过，引致对近红外线激光的吸收低，此情况下，也不能用激光来焊接。此外，许多矿物填充的化合物，都不适宜用激光来焊接。这些局限性，造成了激光焊接应用于塑料接连上的很大障碍。
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& e$ M' f5 n1 S, ?& F7 Y　　新物料有助改善激光透射率及吸收率
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, l: ^! B' p, C: }5 K( n　　为改善聚合物的激光透射率和吸收率，不少塑料生产商进行研究，现时已解决了不少技术障碍。例如BASF公司推出了能透过激光的黑色原料Ultramid A3WG6LT（用于尼龙66）和Ultramid B4300g6LT（用于PBT）。这种采用了新染料的材料，虽然呈黑色，但保持了很高的近红外线激光透射率，因而实现了将两种黑色制品进行激光焊接。杜邦公司亦推出一种黑色的缩醛塑料，其近红外线激光透射率达到38%；一种30%玻璃增强的黑色尼龙6材料，其近红外线激光透射率达25-55%。
　　
& A& p; Q" q2 x* d/ L　　Clearweld原料消除对碳黑的依赖
　　
6 b* Z- O3 X8 o& q　　Gentex公司Clearweld新工艺的开发，目的是消除在近红外线激光吸收方面对碳黑的依赖，从而拓宽可进行激光焊接的颜色范围，令透明制品、色彩轻淡的制品，甚至各种颜色的不透明制品，都可进行激光焊接。
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5 J6 R: \9 a  E9 s# z　　Clearweld原料（净焊材料）无色，能吸收大多数商用二极管激光器发射的近红外线激光。如要处理两种对近红外线激光都透射的材料，可在其接触界面上放上一层很薄的Clearweld净焊材料，然后再进行激光焊接。净焊材料可通过工业上的喷墨打印机或喷射系统喷到接合面处。Gentex公司正在开发Clearweld材料的其他形式，包括薄膜和复合材料，很快便会推出市场。
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/ @5 v7 U% b9 X　　RTP公司最近亦开发了一种合金化技术，和拥有玻璃纤维、颜色和其他添加剂的选择技术。这些技术可以促使激光焊接的树脂，如ABS、SAN、PP等的近红外线激光透射率和吸收率达到最优化。

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