塑料激光焊接技术

激光焊接塑料由于其独特的优势，正成为激光焊接领域的一个热点，受到行业的广泛关注，它将取代传统的塑料焊接方法。本文主要介绍了塑料激光焊接技术的原理、应用和发展前景，并简要介绍了我公司开发的塑料激光焊接设备。

一、 塑料激光焊接技术的原理1.主要原理

塑料激光焊接利用的是透射焊接原理，如图1所示。一般选用红外激光作为焊接热源，由于800nm-1100nm波段的激光对于绝大多数种类的透明或有色热塑性塑料吸收率较低，激光透过塑料损失的能量较少，故常选用这一波段的激光。透射焊接一般采用搭接接头，并通过能提供一定夹紧力的夹具固定。并且上下两层材料必须满足一定的要求：对于所采用的激光，上层材料需要能最大程度的透过激光，下层材料需要能最大程度的吸收激光。激光透过上层材料射到下层材料表面，由于下层材料对激光具有较高的吸收率，激光在结合面处被吸收并产生大量的热量，同时，热量通过热传导由下层材料传到上层材料，使得结合面处塑料熔化，在夹紧力的作用下二次聚合，冷却后在结合面处形成焊缝，即焊接在一起。

 图1塑料激光透射焊接原理

2.各种塑料激光焊接方法(a)轮廓焊接

在激光透射焊接的焊接区中，轮廓焊接是最具“灵活性”、简单、流行的技术。在该过程的进行中，激光光束在焊接区被聚焦成一个点，并沿着轮廓线移动，如图1(a)所示。光束的运动可以通过计算机软件控制，在它上面的焊件是被固定的，或者通过机器人手臂携带固定焊接头。机器人的使用大大加宽了轮廓焊接的应用范围，并将其提升到与超声焊接和振动焊接竞争的位置。这种方法的优点在于它的实质性的“灵活性”，机器人的可编程随机轨迹的可能性，并通过改变焦距控制焊接的直径。

(b)同步焊接

在加工过程中焊接元件和激光束都保持不动，首先根据焊接区域定制激光头，通过多个二极管激光束发射出激光同时作用于轮廓线上使得焊接区域熔化，从而将材料焊接在一起，如图2(b)所示。同步焊接的缺点在于，使用的装置复杂，它的镜头必须根据焊接区域的形状特别定制，因而成本较高，通常用于大型零件的大批量焊接。

(c)准同步焊接

类似于轮廓焊接，也类似于同步焊接，通过激光束投射到焊接区域沿着轮廓高速扫描，每秒可扫描数次，使得焊接区域近似于被同时加热熔化，从而形成焊缝，如图2(c)所示。因此，焊接强度及焊接质量与激光扫描速度、扫描圈数和激光强度有关。准同步焊接的优点是自由度高，灵活性好，尤其适合简单的二维焊接，如手机外壳、电子元件外壳等。

(d)掩膜焊接

使用一个可吸收或反射激光的膜，激光束投射到焊接区域，并使激光束或焊件移动，目标焊接区域由于没有掩膜的遮蔽，因而熔化并形成焊缝，如图2(d)所示。掩模焊接可以使得超过10μm的宽度能够形成焊缝。此外，不仅直线焊缝，由于掩膜的形状决定了焊接的区域，因此掩膜焊接十分“灵活”，形状复杂的焊缝也可通过使用合适的掩模形成。掩膜焊接精密度可达到微米级，该方法已经在精度和小尺寸元件焊接上得到应用，包括医疗、电子、和电气行业。

(e)反射焊接

主要用于圆柱表面圆周线状的焊接。激光束通过高速扫描电机定位后投射到焊接区域经由圆锥型镜面二次反射，可在圆柱焊件表面形成径向式辐射，根据电机扫描的速度可作轮廓焊接或准同步焊接，如图2(e)所示。反射焊接产量高，并且无需夹紧装置，特别适合于直径不同和无需旋转的圆柱状焊件。

图2 各种塑料激光焊接方法
 
(f)衍射焊接

衍射焊接是一种新型的塑料激光焊接方法，通过使用衍射光学元件对激光束整形，再通过掩膜使激光束投射到焊接区域加热熔化并形成焊缝。衍射焊接通过光学元件使得光斑大小可达微米级，因而可进行微焊接。衍射焊接可以焊接出大小约为300μm，焊缝为75μm的焊接件，也可进行密封焊接。

3.塑料激光焊接技术的优点

塑料激光焊接作为激光焊接的一个新兴应用领域，与传统的超声波焊接、热板焊接、振动焊接、胶连接等工艺相比，在成本和性能上更具优势，如表1。

表1 塑料激光焊接对比传统塑料焊接工艺的优势
 
塑料激光焊接技术主要有以下几方面的优点：

• 焊缝精密、牢固，不透气且不漏水，密封性能好；
• 无残渣生成，因而能将焊件紧密地焊接在一起；
• 作为一种非接触焊接，焊件表面无损伤；
• 具有灵活地操控性，通过计算机软件控制激光、光纤输出激光，可焊接尺寸较小或外形复杂（甚至三维）的制品；
• 极大地减小了制品在焊接过程中产生的振动应力和热应力，可用于极易损坏的制品的焊接，并能延长制品的使用寿命；
• 可将许多不同种类的塑料材料焊接在一起，如PC和掺杂30%玻璃纤维的PBT；
• 设备体积小，操作简便，成本低，维护方便。

二、 塑料焊接技术的应用及发展前景 1.塑料激光焊接在汽车零部件上的应用

为了提高汽车发动机效率，一个办法是尽量减轻汽车车身的重量，塑料、树脂、特种玻璃等材料因其质轻、耐腐蚀、稳定性好等特点，越来越广泛的被应用于汽车零部件上。

传统的汽车发动机进气歧管材料为铸铝，如图4所示。从20世纪80年代起，由于塑料发动机进气歧管管壁光滑、效率高、质量轻等特点，代替铸铝被广泛应用于进气歧管制造中。使用激光焊接不仅可以制取结构和形状更为复杂的进气歧管，并且焊接质量好、强度高、残余应力小、无焊渣、易于自动化生产，因此，激光焊接技术逐渐成为新兴塑料进气歧管制造的重要焊接手段。

图4 汽车发动机进气歧管
 
随着社会的进步，汽车的外观设计越来越受到重视，而尾灯作为汽车的一个重要功能器件，其制造工艺越来越显示出重要性。图5为使用激光焊接技术焊接车灯，无需改变透明材料的颜色，且密封性好，无漏水、漏气，焊缝连接强度高且外观美观。
 

图5 汽车车灯的激光焊接

图6的气液分离器是汽车油箱系统的重要部件之一，主要由注塑的POM上盖和壳体组成，通过激光焊接完成产品的封装，工艺稳定性高，焊接强度高。
对于汽车仪表盘外壳，如图7，不仅要求外表美观，对于密封性和耐腐蚀性也要求严格。通过塑料激光焊接技术焊接的仪表盘，焊缝密封性好，连结强度高。

其它如汽车的电子开门器、变速箱、安全气囊、油压传感器和发动机传感器等，塑料激光焊接技术也在其中得到广泛应用。

2.塑料激光焊接在医疗器械上的应用

塑料激光焊接技术在医疗器械上主要应用于注射器系统、医疗电子设备、人造移植及造口产品等。

采用掩模焊接方法焊接得到的耳垢防护器，如图8，大小只有几毫米，膜与垫圈焊接紧密，由于激光焊接的非接触性，还保证了产品的无菌性。
在高端医疗产品中，采用Globo焊接工艺应用于人造瘘护理产品，如图9；对于针尖保护帽，如图10，可采用同步焊接工艺。焊接产品环保，焊缝性能稳定。

生物医疗分析仪器要求无菌、无化学物质加入，激光焊接作为一种非接触焊接方法，焊接过程中热影响区小。生物医疗分析仪器中的液体分析芯片，如图11，含有几厘米长、几十微米甚至几百微米宽的微流道系统，一般用来采集或分析液体物质。由厚度只有几毫米到20微米的塑料片构成的微流道，结构十分精密，通过掩膜焊接可以实现焊接过程。
 

图12为医用导管，由于材质、柔软度在使用时依其接触部位的不同而要求不同，通过激光焊接的医用导管，连接强度高、表面连续性好。
 

图13为人造心脏，其中部分塑料制件需要通过焊接来达到连接目的，激光焊接由于其非接触性、焊缝精密牢固等特点，能够保证焊后产品的生物相容性、稳定性、耐蚀性、抗压性和密封性。

3.塑料激光焊接在电子器件产品上的应用

对于电子产品的封装，焊接环境和工艺十分重要，必须满足尘埃量低、热量低、无强震动、封装精度高、焊缝强度高、外表美观等。由于封装所使用的材料很大一部分为塑料，因此，塑料激光焊接技术有巨大的发展空间。

传感器内部有精细的电路和传感元件，图14为传感器的塑料外壳，采用激光焊接对其进行封装，得到的外壳密封性极好，在高温、高湿、粉尘和腐蚀性环境下耐受性良好，并且激光焊接为非接触式不会产生振动，大大提高了传感器生产成品的合格率和性能。

图15的电路板采用激光焊接技术进行封装，焊缝不仅牢固，且密封性好。

4.塑料激光焊接在其他方面上的应用

激光焊接纺织品通过激光缝合，接缝牢固可靠，特别适合于防水服装和对气密性要求较高的装备。

一些工业成品的包装，采用塑料薄膜焊接技术，可得到焊缝牢固、外表美观的塑料包装。

5.发展前景

目前二维塑料激光焊接技术在设备及工艺上已日趋成熟，而三维焊接仍处于起步阶段。因此，三维焊接设备的研制及三维激光焊接塑料的相关研究将成为塑料激光焊接未来的发展趋势之一。

三、本公司塑料激光焊接系统简介 
广东顺德华焯机械科技有限公司地处中国家电之都，机械装备之乡的佛山顺德中国南方智谷A区，其技术主要依托于国家级科技转化中心——制造装备数字化国家工程研究中心。公司专业研发团队由华中科技大学在激光加工、数字制造领域的一大批专家教授组成，目前拥有专业员工近50人，其中具有博士硕士学位的高端技术研发人员18人。

华焯主要从事激光加工设备（尤其是塑料激光加工）及自动化成套辅助系统的研发、生产和销售。公司技术实力雄厚，技术带头人均为国内激光加工领域的顶尖专家，主要研发人员均为博士以上学历，是华中科技大学研究生的定点实訓基地，是国内首家专业从事塑料激光焊接设备的研发、生产和销售的高科技企业，是目前国内塑料激光焊接技术的引领者。

华焯开发的塑料激光焊接机，配备了国内领先的半导体激光器，采用PLC控制，人机交互界面，在线视觉监控，精密导轨、滚珠丝杆、伺服电机等，实现复杂形状塑料制品的三维自动化焊接，提高生产效率，提升产品质量，降低劳动成本，较少噪音污染。
 

表2 三维塑料激光焊接系统基本技术参数

图20 精密小型塑料激光焊接机

表3 精密小型激光焊接系统基本技术参数本塑料激光焊接机系列可用于各种

复杂形状的ABS、PP、AS、PC、PMMA、PVC、PE等热塑性塑料及其部分掺杂塑料产品的高质量、高效率、自动化焊接。利用本焊接系统进行了大量的焊接试验，焊缝宽度为55mm，部分试验结果如表4所示。 

表4 部分试验结果

利用本焊接系统，进行了ABS材料的美的空调离心空调风叶的焊接，如图28所示，并对焊接样件进行了轴向拉力测试、动平衡测试、温度冲击测试，结果发现，风叶可承受超过4.5KN的轴向拉力，焊后的风叶的动平衡完全符合产品要求，而且样件在冷热温度冲击下，性能稳定。 

 
图22(a)和(b)为焊接前的PC材料的液冷灯泡及掺杂炭黑的PC材料灯管，(c)为利用本焊接系统焊好的液冷灯，焊缝为环形，密封性好，无漏气、漏水，焊接强度高。
 

图22利用本塑料激光焊接系统焊接的液冷灯。

图23为车灯，其中灯盖材料为ABS，灯座材料为AS，可使用本系统通过激光焊接焊合，焊缝牢固紧密，密封性好，外表美观。

图24为蓝色玩具头的焊接，贴合材料均为白色透明材料，在内层透明塑料表面涂clearweld试剂后，利用本系统进行激光焊接，焊缝牢固可靠，无缝隙且美观。

四、 结论 
激光焊接塑料因其焊接速度高、干净无污染、设备简单、无振动、不损坏焊件等优点，逐渐成为激光焊接领域的一个热点，在国外已被广泛应用于汽车工业、医疗器械、电子产品等领域。然而，目前国内对于塑料激光焊接技术的应用极少，尤其是三维焊接，仍处于起步阶段。我公司开发的三维塑料激光焊接系统，紧跟市场需求及塑料激光焊接未来发展趋势，将在国内塑料激光焊接技术推广的道路上占据重要一席之地。

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本文章来源广东顺德华焯机械科技有限公司

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