激光焊接塑料的基本原理是，通過夾具施壓將兩個工件疊加在一起，再向上面的工件射入激光，使激光能夠穿透該工件并被下面的工件吸收。吸收的激光光能轉(zhuǎn)化為熱能，進而使兩工件的接觸面熔化，最終形成焊接區(qū)。然而，人們真正認識到應用激光焊接技術來焊接熱塑性材料卻經(jīng)歷了相當長的過程。在新材料、新設備和新技術工藝層出不窮的時代，現(xiàn)在的生產(chǎn)者不僅要了解激光焊接的特性、優(yōu)點和要求，還應認識到此領域的諸多創(chuàng)新和未來趨勢，這樣才能把握技術流行趨勢，始終處于科技的最前沿。 材料的發(fā)展 為了能夠更好地適應激光焊接技術，材料供應商在熱塑性材料方面已取得一些重大進展。大約3年前，幾乎所有的單一自然材料在添加碳黑后，都可以獲得很好的激光焊接質(zhì)量，但那時吸收劑的顏色只能是黑色?，F(xiàn)在，這方面已經(jīng)有了很大的進展。生產(chǎn)者幾乎可以設計任何顏色，而且能同時滿足激光焊接的要求，并保證工藝的穩(wěn)定性。 除了顏色，材料技術的創(chuàng)新也打破了激光焊接原有的一些限制。例如，熱塑性材料最初使用的阻燃劑都是磷化阻燃劑，對其進行激光焊接時往往會導致材料對近紅外光的透光率不足?，F(xiàn)在，很多材料供應商都開發(fā)出了新型的無氯阻燃劑，很好地解決了這一問題，從而成功地滿足了激光焊接的要求。 工藝和設備技術 早些年，激光焊接技術即使是焊接很小的電子器件外殼，也需要很大的機器，同時需要復雜的外部冷卻系統(tǒng)，因此需要占用很大的工廠空間，這無疑會導致較高的投資費用，而且那時的焊接設備習慣使用Nd：YAG固態(tài)激光器。雖然后來二極管激光器的成功應用逐漸取代了這種固態(tài)激光器，但這些二極管激光器的質(zhì)保時間通常不足3000h，仍然無法和固態(tài)激光器競爭。隨著新型的二極激光器的研制成功，它們幾乎都是免維護的，而且預期壽命可高達20000h，因此成功地替代了固態(tài)激光器成為廠商的首? Ｏ衷詰募す夂附酉低稱浣峁辜蚪嘟舸?，标准的系统考啨来~畬?40mm×240mm的工件，而且聚焦直徑小于1.5mm。此外，還可選用各種過程監(jiān)測手段。 看到二極管激光技術的巨大應用潛力和廣闊的應用前景，供應商們不斷加大研發(fā)力度，許多新技術由此應運而生。例如，二極管激光光纖耦合技術以及使用工業(yè)機械手進行激光焊接等，其中，二極管激光光纖耦合技術即使更換激光源后仍可保證激光光束的均一性。 隨著技術的進步，激光焊接能夠很容易地利用工藝和設備的優(yōu)勢來彌補該技術與常規(guī)方法在設備成本上的差距。因此，成本因素已經(jīng)不再是限制激光焊接技術獲得廣泛應用的主要原因。 作為激光焊接應用的領航者，汽車行業(yè)的巨大發(fā)展也再次驗證了激光焊接技術的優(yōu)勢所在。以傳感器外殼為例（如圖1所示），激光焊接技術在汽車領域已有數(shù)年應用。目前，任何新模塊的設計從一開始就是為了適應其變化。在敏感電子封裝方面，采用常規(guī)的焊接方法往往會對電子部件產(chǎn)生明顯的機械應力和高溫影響，而激光焊接則能夠按需控制和調(diào)整焊接能量，從而保證了焊接質(zhì)量的精細準確。另外，激光焊接的經(jīng)濟性也緩解了汽車行業(yè)所面臨的降低費用的極大壓力。激光焊接技術在汽車行業(yè)的成功應用完全能夠證明這一點。 圖1 汽車傳感器未來趨勢 關于器件尺寸，市場有兩種相反的趨勢：一方面，器件越來越小，且焊縫復雜；另一方面，器件更大，且是三維的。而激光焊接設備的不斷發(fā)展，可同時滿足這兩種要求。 目前，醫(yī)學診斷產(chǎn)品持續(xù)向小型化方向發(fā)展，這就要求焊接技術能夠在最小的空間同時集成數(shù)種功能器件。采用其他方法焊接毛細微流結(jié)構(gòu)（如圖2所示）十分困難，或者根本就不可能，而現(xiàn)在，即使當今廉價的電鏡掃描激光系統(tǒng)都可以焊接這種產(chǎn)品。以前，人們會選擇容易聚焦的Nd：YAG激光器，但該技術成本非常昂貴，且技術不夠靈活。相比之下，光纖激光或光纖耦合二極管激光焊接技術不僅能夠滿足0.1mm的焊縫寬度，且不受焊縫形狀和腔室大小的限制。 圖2 微流體結(jié)構(gòu)：焊縫寬度小于0.5mm，長度約2m如果減小光纖內(nèi)徑，在實現(xiàn)高速焊接的同時，電鏡掃描激光系統(tǒng)也可焊接較小的焊縫或較大的焊接面積。為了適應器件尺寸的變化趨勢， LPKF公司（樂普科光電公司）已開發(fā)出了適合三維焊接的電鏡掃描焊接系統(tǒng)（如圖3所示），該系統(tǒng)的焦深變化高達80mm，這樣配合使用二極管激光器，可使焊接工件的焊接面積擴大為370mm×370mm，且焊縫寬度小于2mm。目前，該技術已應用于焊接引擎艙或汽車內(nèi)飾等大型三維汽車部件。 圖3 LPKF電鏡掃描焊接系統(tǒng)但是，電鏡掃描系統(tǒng)的應用處理存在一定的局限性，像汽車尾燈這樣的復雜三維部件由于側(cè)凹或逆向的光束角會阻礙激光的照射，因此必須選擇輪廓焊接方法。而輪廓焊接對工件的要求非常嚴格，且焊接周期長，也限制了其在這方面的應用。 LPKF公司發(fā)明了一種復合焊接方法，彌補了輪廓焊接的許多不足，在焊接三維大件產(chǎn)品時具有極大的優(yōu)勢。該方法利用可彎曲的柔性機械手來引導激光，而夾具所需壓力來自焊接頭。采用的滾輪可產(chǎn)生很大的壓力而不會使工件產(chǎn)生壓痕，而且它對污垢不敏感。更重要的是，該技術將激光和具有較寬光譜的氯素燈一起使用，氯素燈直接對上面的工件進行加熱，同時吸收從下面工件傳來的熱量，形成對工件的整體加熱，這樣相對于常規(guī)的焊接方法，工件焊接面的熱傳遞更均勻，而且降低了上面工件的硬度，若存在間隙誤差，也可較早得到處理，進而保證更高更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，并同時縮短了焊接時間。由于增添了氯素燈，有效降低了所需激光的功率，相應降低了成本費用。另外，應用復合焊接時，工件的內(nèi)在殘余應力很小，后續(xù)的回火處理可大大簡化甚至不再必要，這對于非結(jié)晶熱塑材料具有極大的好處。復合焊接設備如圖4所示。 圖4 LPKF復合焊接系統(tǒng)除了器件焊縫方面的創(chuàng)新，還出現(xiàn)了很多新材料的組合方法，激光焊接技術也不再局限于硬/硬材料的組合方式。新的激光焊接材料層出不窮，包括熱塑布料、熱塑彈性體以及包裝和醫(yī)學導管用的薄片材料等，擴大了激光焊接技術的應用范圍?，F(xiàn)在，甚至可以利用激光吸收劑或涂料來實現(xiàn)非結(jié)晶塑料的清潔焊接，簡單而又可靠。其他激光源，如CO2激光器的出現(xiàn)為激光焊接技術提供了新的契機，因為其長波光可被任何透明塑料吸收。 從經(jīng)濟性角度看，二極管激光和工藝技術的創(chuàng)新可確保激光焊接的有效穩(wěn)定，而且激光器成本的下降也意味著投資成本的降低。更重要的是，通過不斷延長維護間隔和設備的使用壽命，進一步提高了機器的工作時間。 結(jié)論 激光復合焊接技術雖然比較新，但具有獨特的優(yōu)勢，在某些方面甚至可取代常規(guī)焊接技術。同時，器件急劇小型化和復雜三維化的發(fā)展趨勢也表明，激光復合焊接技術具有適合未來應用發(fā)展的極大潛力。