塑料的激光焊接
摘要:塑料激光焊接的特点与金属材料的激光焊接有较大的不同。本文论述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光设备，焊接工艺以及塑料激光焊接在工业生产中的应用。塑料激光焊接的工艺涉及焊接吸收剂、激光波长、被焊材料的特性和要求、加工系统控制软件等等。
关键词：塑料激光焊接工艺应用
一、前言
自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。
随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良、能提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍。
当前，激光所能够焊接的材料，除了传统的金属材料之外，其范围正在逐步扩大，在例如陶瓷等非金属材料上的使用也越来越多；而塑料作为有机材料的代表之一，也被用来作为激光焊接的对象，能够用激光实现焊接的塑料必须是热固性的。20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上;但直到20世纪90年代,才取得了大规模的工业应用[1]。见于文献报道的最早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度为1.5毫米）。
直到目前，由于激光器技术的限制以及塑料材料本身固有的强度低、耐热性差、易变形等特点，在塑料工业中，激光作为焊接工具还不是非常普遍；塑料激光焊接
的成品，也仅仅限于包装、医疗器械、微电子产品等方面。但是，随着塑料材料和各种激光器及激光加工机的快速发展，塑料激光焊接技术的研究和应用也必将越来越广泛。
二、塑料激光焊接的原理
塑料激光焊接的基本原理与金属材料激光焊接的基本原理相近。激光作为一种焊接用热源，具有准直性优良、光束能量密度高、作用区域小等优点。在焊接过程中，通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，将激光器产生的光束聚焦于待焊接区域，形成热作用区；在热作用区中的塑料被融化；在随后的凝固过程中，已融化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来。
由于被焊接材料具有本质上的不同，塑料激光焊接的特点和具体工艺与传统金属焊接也有比较大的差别。
三、塑料激光焊接的工艺
1．激光的波长
在金属材料的激光焊接工艺中，一般采用YAG或者CO2激光作为光源，塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的快速发展，半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。
三者之中，由于易于获得较大功率，前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍；而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高，但对可控性和易操作性要求较高，因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。
CO2、Nd:YAG和半导体激光三种光源的波长、最大功率、最小聚焦直径等参数的典型值如下所列：
（1）．CO2激光：波长较长，为10.6微米，属远红外波段，一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最大输出功率达50kW，转化效率约10％，最小聚焦直径约0.2～0.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深，适合于需要焊接较厚的塑料材料。CO2激光不能用光纤传输，只能$&*透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路，从而影响激光头的操作性。
（2）．Nd:YAG激光：波长较短，为1.06微米，属近红外区波长，不易被塑料吸收。最大输出功率6kW，转化效率为3％，最小聚焦直径0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小，可以方便地通过光纤传输来构建光路，可将激光头装到机器人手臂
上，实现焊接过程的数控和精密自动化；另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料，到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收，从而实现焊接。
（3）．半导体激光：波长0.8～1.0微米，最大输出功率6kW，转化效率30％，最小聚焦直径0.5mm。由于其输出输出功率较小，适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化[9]。
2．塑料材料
能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。
塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为：在热作用区内的材料，要求对激光光波的吸收性好；不属于热作用区部分的材料，则要求对光波的透过性好，尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括：
PMMA——聚甲基丙烯酸甲脂（有机玻璃），PC塑料，ABS塑料, LDPE－低密度聚乙烯塑料，HDPE－高密度聚乙烯塑料，PVC－聚氯乙稀塑料，Nylon 6－尼龙6，Nylon 66－尼龙66，PS－PS树脂，等等。
上述各种塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对象。由于激光焊接具有传统焊接不具备的热作用区小、控制精确容易的特点，因此上述各种单体材料之间也可以进行焊接。3．吸收剂
吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。如前所述，塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料融化，随后冷却自然实现塑料件的接合。让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量。塑料自身能够以较高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收剂的情况下，塑料对光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。
通常理想的吸收剂是碳黑，碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收，从而大大提高塑料的热吸收效果，使得热作用区的材料融化更快、效果更好。一些其他颜色的染料也能够起到相同的吸收光波的效果。
英国焊接学会（TWI，The Welding Institute）研制出了一种对可见光透明的
染料。用这种染料做吸收剂，可以得到透明的塑料焊缝。碳黑在吸收红外波段的激光光波的同时，也吸收可见光波，这也是碳黑看起来为黑色的原因，用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深，与母材颜色不同。TWI研制出的对可见光透明的染料只吸收红外波段的电磁波，不吸收可见光，因此看起来焊缝仍然是透明的。
很多情况下，塑料焊接要求成品美观、精致，因此相比碳黑，对可见光透明的染料吸收剂非常受青睐。英国TWI的ClearWeld技术搭焊的两片透明的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，也即有机玻璃）薄片；传统碳黑吸收剂与采用TWI的ClearWeld技术的透明吸收剂所得到的不同效果。
添加吸收剂的方法有3种：一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂，这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面，而把没有渗吸收剂的塑料件放在上面，让激光光波通过；二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂，这样只有被渗透了吸收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化；三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂。
4．其他参数
与金属焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的热作用区就越大、越深，将导致材料过热、变形、甚至损坏。应该根据需要融化的深度来选择激光功率。
塑料激光焊接的速度比较快，一般得到1mm厚焊缝的焊接速度可达20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以达到750m/min。
5．软件
激光焊接系统中，计算机软件的作用是对激光头的运动轨迹和速度、激光功率等一般性的工艺参数进行数字化控制，以达到提高加工速度和精度、改善加工质量的目的，这些与传统的激光加工中的软件控制并没有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收剂的特殊作用，塑料激光焊接控制系统和加工系统又有其自身的特色。
TWI研究所结合其ClearWeld塑料焊接工艺，设计开发了计算预测吸收剂用量及用法的软件。根据不同材料的厚度、颜色、吸收比率等，结合激光器的功率、光波透过率等参数，在焊接前用软件计算吸收剂的用量和添加方法，再根据预测的用量添加吸收剂。
提供给软件的输入数据包括：塑料材料特性：种类、厚度、颜色；焊接数据：
焊接区域形状复杂程度、宽度、焊接速度；激光器特性：功率、红外光透过率等。
经过计算和筛选，软件给出的输出结果包括：吸收剂种类、用量及要求的添加方式的列表，焊接过程中激光光波在上层材料中的能量损失。
软件的计算结果与实际焊接测量的结果很接近，图6为焊接后生成的热影响区（HAZ）大小的计算值和实际测量值的对比，所用塑料材料为PMMA。
可见，软件计算结果与实测结果非常接近。由于塑料激光焊接的规律性较强，有较好的可预测性，因此，采用软件计算筛选方法预测结果是非常有效和可行的。
四、塑料激光焊接的应用
塑料激光焊接的综合优点较多：速度快；焊接精度高；焊机自动化、精密数控实现方便；加工现场环境条件优于传统焊接工艺；成本相对较低。因此，塑料激光焊接技术在以下领域得到了比较广泛的应用：
1．医疗器械：某些特殊用途的医用塑料器械产品，其形状和产品结构构成要求必须用焊接的方法；
2．包装工业：例如高级工业制成品的包装，采用塑料薄膜焊接技术，可以得到加工高速、接缝可靠、外表美观的塑料包装。塑料质外包装材料的激光焊接连接。塑料材料为热塑性塑料和人造橡胶。
3．汽车零部件：当今汽车车身的大趋势是力求减轻其重量，因此塑料、树脂、特种玻璃等材料在汽车上得到了越来越广泛的应用。而焊接是其中必不可少的工艺，激光焊接又是所有焊接工艺中较传统工艺优势最大、技术成熟、成本相对最低的一种。因此，激光焊接热塑性塑料、合成树脂、合成橡胶，以及一些特种玻璃等车用材料在汽车工业中应用较多。
4．电子器件产品封装：电子器件产品的封装技术对于焊接环境和工艺的要求非常严格，例如低尘埃量、低热量、无强震动，封装精度高、接缝可靠耐用、外表美观等。封装用的材料很大一部分就是塑料，因此塑料激光焊接同样有很大的应用空间。5．纺织品：激光焊接纺织品可以被称作激光缝合。其接缝牢固可靠、加工速度快的优点非常适合缝合纺织品。一些防水服装装备和要求气密性的装备，都可以利用激光焊接来加工。
五、展望
金属材料的激光焊接已经在诸如汽车工业等领域得到了较广泛的应用，激光焊
接新材料（如塑料、玻璃、陶瓷、各种有机物等）的研究正方兴未艾，尤其是不同材料之间的复合焊接，更成为研究和应用的热点。激光焊接塑料具有低成本、高速度、加工方便、实现精密数控容易、原材料适用范围广、接合性和工艺性好等综合优势，随着塑料焊接工艺研究和塑料激光焊接设备的逐步商品化，塑料激光焊接的应用必将越来越广泛，技术越来越成熟。其产品也将很快走进我们日常生活的方方面面。
1. 激光焊接的流程和方法
激光对热塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法对被焊接的两种材料性质有一定的要求，也就是上面的热塑层对采用的激光波长是透明的，而下面的热塑层能吸收激光能量。激光束透过透明的上层材料到达下层材料，下层材料的表面因吸收激光能量而熔化，此时在一定的压力下两种材料通过分子联接而被焊接在一起。由于激光是非机械接触的聚焦在下层材料的表面，激光引起的热效应是局域的，所以此方法可避免对被焊接材料的机械和热损伤。目前热塑材料总加工的20%左右是基于激光焊接的。
根据不同的焊接任务和要求激光焊接的流程大致有以下几种。
轮廓焊接是最简单，目前使用最广的焊接流程。在焊接时激光束通过光学系统和振镜在被焊接的物体上移动或者激光束静止而被焊接物体移动。激光与被焊接物体之间的相互作用时间取决于光束焦点尺寸和移动速度，既而影响焊接时间和效果。轮廓焊接是一种非常灵活的焊接流程，可实现复杂的三维焊接，在包装行业里有广泛的应用。
掩模焊接是一种借助掩模，基于轮廓焊接或着同步焊接方法的流程，其原理与芯片制造上的光刻技术相似。这种流程主要使用在复杂的几何焊接图案上，最小接缝宽度大于100μm。掩模往往是由薄片或金属化的玻璃制成。由于制作掩模比较繁琐，所做的掩模只针对一个焊接几何图案，所以掩模焊接往往缺乏灵活性，但适合大批量的焊接加工。
准同步焊接是一种把轮廓焊接和同步焊接结合起来的流程。激光束通过振镜以极快的最高达10m/s的速度在焊缝上移动并且多次重复扫描，使得整个焊接区域同时熔化，效果与同步焊接相似。通过同步熔化过程使得准同步焊接和同步焊接方法一样适合于具有大缝隙的两个相邻部件的搭桥焊接。
在同步焊接中激光束同时照射焊接区域，从而明显减少了焊接处理时间，并允许搭桥焊接具有大缝隙的两个相邻部件。与轮廓焊接相比由于更长的激光作用时间使通过同步焊接方法焊接的部位更加牢靠。
2. 焊接塑料的颜色
激光塑料焊接其中的一个研究课题就是两个被焊接部件的颜色搭配，这是由所采用的激光透射焊接的原理所决定的。下图显示了因材料颜色的不同而造成的焊接难易程度。首先成功实现的是透明色–黑色材料的激光焊接。除此之外黑色–黑色材料的焊接也已广泛使用。
由于组成塑料的高分子的本怔吸收带通常位于紫外和远红外区域，所以最初只有CO2激光器被用于激光焊接的研究。但是通过搀杂和添加色素可极大地改变塑料的光学吸收特性，从而使塑料在可见光和近红外区域的吸收大大增强，由原本激光透明的材料变成激光吸收材料，这样传统的Nd: YAG固体激光器(1064nm 和倍频532nm)和大功率GaAs半导体激光器(800nm-1000nm)以及新型光纤激光器都可以被用作激光焊接的光源。色素搀杂同时也改变了原来塑料焊接的特性和参数，使之更适合于某种特殊应用。
3. 被焊接材料的搭配
与材料颜色搭配几乎同时进行研究的是焊接材料的搭配。目前在工业上采用激光焊接的材料大部分是热塑材料(Thermoplastic, TP)，构成TP–TP焊接。由于采用的激光透射焊接是非接触性的，所以这些热塑材料也可以与其它材料焊接到一起，比如同样具有热塑性的合成橡胶(Thermoplastic Elastomer, TPE)。具
有热塑性的合成橡胶因为同时具有热塑材料的热塑性和合成橡胶的弹性和伸缩性，而它的焊接处理温度和冷却时间等参数又与热塑材料非常相似，所以用激光透射焊接的方法可容易实现TP–TPE焊接。由于TPE的手感和摩擦性好，所以TP–TPE焊接在汽车工业上的第一个应用就是制造汽车方向盘。此外，TPE和TPE也可通过激光透射焊接的方法被焊接到一起，组成TPE– TPE焊接。
目前材料搭配研究的一个最新方向是实现塑料与金属和陶瓷材料的激光焊接。比如说塑料通过金属被激光间接地加热，接触面熔化，然后包围金属，和金属组成一个非常牢固的联接。
激光焊接的工艺参数及特性分析 一、激光焊接的工艺参数：1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/cm2。2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接 一、激光焊接的工艺参数： 1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/cm2。 2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。 3、激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 4、离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离焦，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。 二、激光焊接工艺方法： 1、片与片间的焊接。包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。
激光焊接机的主要特性及工作原理 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。 一、激光焊接机的主要特性 20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 激光焊接与其它焊接技术相比， 激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件 二、激光焊接机的种类 激光焊接机又常称为激光焊机、雷射焊接机、镭射焊机、激光冷焊机、激光氩焊机、激光焊接设备等。按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动激光焊接设备）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机、振镜焊接机、手持式焊接机等，专用激光焊接设备有传感器焊机、矽钢片激光焊接设备、键盘激光焊接设备。 三、激光焊接机的工作原理 激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。
激光塑料焊接技术 自从激光问世，人们就开始研究如何把激光作为工具来对材料进行加工。早在上个世纪70年代，汽车工业就开始尝试用激光来进行材料加工。在工业上第一个用激光进行塑料焊接实际应用的是1998年Marquardt公司用半导体激光器批量制造电子汽车钥匙，黑色聚合物(PA)材料的钥匙盖子被焊接到同样是黑色但对激光波长透明的PA钥匙壳上。根据分子结构塑料可分为三种：热塑材料，热固材料和合成橡胶。目前对热塑材料激光焊接的研究和应用比较多， 自从激光问世，人们就开始研究如何把激光作为工具来对材料进行加工。早在上个世纪70年代，汽车工业就开始尝试用激光来进行材料加工。在工业上第一个用激光进行塑料焊接实际应用的是1998年Marquardt公司用半导体激光器批量制造电子汽车钥匙，黑色聚合物 (PA)材料的钥匙盖子被焊接到同样是黑色但对激光波长透明的PA钥匙壳上。 根据分子结构塑料可分为三种：热塑材料，热固材料和合成橡胶。目前对热塑材料激光焊接的研究和应用比较多，下面我们就从三个方面简单讲述针对热塑材料的激光焊接技术和研究进展。 一. 激光焊接的流程和方法 激光对热塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法对被焊接的两种材料性质有一定的要求，也就是上面的热塑层对采用的激光波长是透明的，而下面的热塑层能吸收激光能量。激光束透过透明的上层材料到达下层材料，下层材料的表面因吸收激光能量而熔化，此时在一定的压力下两种材料通过分子联接而被焊接在一起。由于激光是非机械接触的聚焦在下层材料的表面，激光引起的热效应是局域的，所以此方法可避免对被焊接材料的机械和热损伤。目前热塑材料总加工的20%左右是基于激光焊接的。 根据不同的焊接任务和要求激光焊接的流程大致有以下几种。 轮廓焊接掩模焊接准同步焊接同步焊接 轮廓焊接是最简单，目前使用最广的焊接流程。在焊接时激光束通过光学系统和振镜在被焊接的物体上移动或者激光束静止而被焊接物体移动。激光与被焊接物体之间的相互作用时间取决于光束焦点尺寸和移动速度，既而影响焊接时间和效果。轮廓焊接是一种非常灵活的焊接流程，可实现复杂的三维焊接，在包装行业里有广泛的应用。 掩模焊接是一种借助掩模，基于轮廓焊接或着同步焊接方法
激光焊接的特点 一、激光焊接的主要特性 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄 壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传 导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效 应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。与 其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场， 光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透 明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于 大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近 几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的 推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为 更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激 光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达 不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接热传导
塑料的激光焊接 摘要:塑料激光焊接的特点与金属材料的激光焊接有较大的不同。本文论述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光设备，焊接工艺以及塑料激光焊接在工业生产中的应用。塑料激光焊接的工艺涉及焊接吸收剂、激光波长、被焊材料的特性和要求、加工系统控制软件等等。 关键词：塑料激光焊接工艺应用 一、前言 自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。 随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良、能提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍。 当前，激光所能够焊接的材料，除了传统的金属材料之外，其范围正在逐步扩大，在例如陶瓷等非金属材料上的使用也越来越多；而塑料作为有机材料的代表之一，也被用来作为激光焊接的对象，能够用激光实现焊接的塑料必须是热固性的。20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上;但直到20世纪90年代,才取得了大规模的工业应用[1]。见于文献报道的最早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度为1.5毫米）。 直到目前，由于激光器技术的限制以及塑料材料本身固有的强度低、耐热性差、易变形等特点，在塑料工业中，激光作为焊接工具还不是非常普遍；塑料激光焊接
激光拼焊板简介及特点及应用什么是激光拼焊板？ 拼焊板是将几块没有同材质、没有同厚度、没有同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的没有同要求。激光焊接凭着多项显着的优点，非常适合用于消耗拼焊板。 激光拼焊板简介--技术的发展 传统上汽车车身零件有两种成形方法：分离成形战整体成形。其中，分离成形方法是利用没有同的压机分别成形单个零件，然后将各个零件焊接起来组成目标部件。这种方法虽然提下了材料选择的灵活性，但同时也增加了冲压战加工本钱、装配本钱以及形状配合问题，并且由于点焊时材料的重迭额外增加了车身的重量。 整体成形方法则是在一台压机上将一块整体板同时成形几个零件。从车身结构设计的观点来看，每个车身零件具有没有同的厚度战抗腐蚀性能要求，假如是单一板成形，必须对所有零部件的材料采取相同的等级、镀层类型战材料厚度，导致对某些零件的选材裕度过大，从而增加了车身的重量，提下了本钱，并且还会增大成形易度。这是整体成形方法与分离成形方法相比的一大缺点。 为了降低车身重量、提下车身的装配精度、增加车身的刚度、降低汽车车身制造过程中的冲压战装配本钱，减少车身零件的数目同时将其整体化是非常必要的。因而，一种同时克服传统分离成形方法战整体成形方法的缺点的消耗形式――拼焊板冲压成形发展起来了。 激光拼焊板简介-技术特点 以车门内板为例：为了保证功能的需要，车门内板的主体必须有必然的柔性，而门板的前、后部需要有必然的强度。假如采取传统的冲压成形方法就需要另外设计增强板，而采取拼焊技术，可先将三块没有同厚度的钢板拼焊成一块整板，便可冲压成形。
激光拼焊板技术是基于成生的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术。激光焊接的下能密度、无填料、无搭接、深熔、速度快等特点，使得激光拼焊板技术具有以下特点：焊缝处的热应变值较低，热影响区小，通过激光束的聚焦给焊接边缘提供需要的下能量，聚焦点的直径可以达到零点几个毫米，保留杰出的材料成形性能；焊缝较狭窄且平整，消除成形过程的没有利影响，避免了破坏工具、模具的危险；焊接消耗效率下，能够真现下度自动化。 激光拼焊板消耗装备首要有：传送装置、激光焊接装备、机械手、在线无损检测装备等。一般根据产量的没有同，可以采取没有同的装备组合。 激光焊接的首要工艺流程：卷料开平→落料→激光焊接→冲窝(假如需要)→堆垛包装激光拼焊板简介-技术上风 采取激光拼焊板可以给汽车制造业带来巨大的经济效益，如车身装配中的大量点焊，把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，凸缘宽度需要16mm，而激光拼焊板无需搭接，点焊改为激光拼焊技术可以节省钢材，节省的用量视采取拼焊板的数量而定；用传统点焊焊接两片0.8mm的钢板冲压件，平均是20点/min，焊距是25mm，速度则为0.5m/min，这会耗费相当的时间，采取激光拼焊板替代点焊工艺后所需要的时间可以得到大量节省、焊接质量得到质的提下。 零件数量的减少，以及随之而来的消耗装备战制造工艺简化，大大提下了消耗效率，降低整车制造及装配本钱；由于产品的没有同零件在成形前即通过激光连气儿焊接工艺焊接在一起，因而提下了产品的精度，大大降低了零部件的制造及装配公差；通过部件的优化减轻了重量，从而降低油耗，处于环保时代，这一点非常重要；由于没有再需要增强板，也没有搭接接缝，大大提下了装配件的抗腐蚀性能；通过消除搭接提下部件的耐腐蚀能力，大大减少了密封措施的使用；通过对材料厚度以及质量的严格筛选，在材料强度战抗冲击
透明塑料的激光焊接 在许多工业应用中，热塑性元件的激光焊接已经成为一项标准的加工方式。当使用二极管激光器、Nd:YAG激光器或光纤激光器时，标准的操作是在重合处进行投射式激光焊接。聚焦激光辐射穿透上层透明的塑料，被下层材料吸收，吸收的辐射能在表面转化成热能，由于热能的传导，就在上层形成接点。 原色或者有色的塑料在近红外波段的吸收较低。炭黑是一种树脂添加剂，它可以在很广的波段（从可见到红外）有效提高塑料对激光的吸收率。然而，如果使用了炭黑，塑料就只能做成深色，无法做成透明的塑料元件。 由英国剑桥焊接研究所（TWI）开发的Clearweld工艺使得透明或者有色塑料能够有效地吸收近红外光。它采用了特殊的近红外吸收材料作为元件表面的涂层，或者作为添加剂掺入下层的树脂中。这些材料在可见光范围内的吸收较小，在近红外区（800~1100 nm）的吸收较大。目前，在最大的吸收波长附近，具有各种不同的窄吸收带宽的吸收材料，它们可以被用来调整塑料的光学特性，以便适应各种常见的近红外激光器。除了取决于所使用的激光波长，最佳的吸收材料还取决于具体应用上的要求，比如加工参数、材料特性和目标元件所需的颜色。 Clearweld涂层工艺 带有吸收范围在940~1100 nm吸收剂的涂层为低粘性、基于溶剂的液体物质，被应用于各种配料系统中。典型的溶剂是乙醇和丙酮。涂层的用量以纳升/平方毫米（nL/mm2）为单位。溶剂可作为载体，挥发得很快，从而在塑料表面形成一层吸收材料薄膜。通常，干燥时间在1至7秒。也可以使用辅助干燥的方法，例如使用红外线灯对零件的预加热或者后加热，令溶剂的挥发更为迅速。涂层过程可以与焊接过程分开进行。 当涂层应用到材料表面时，一个均匀的吸收剂薄层就沉积在材料的表面。在激光辐射以前，干燥后的涂层在可见波段有些许颜色。进行焊接时，激光辐射被涂层吸收，同时被转化成热能。由于热传导，临近于涂层的表面材料被加热而熔化，固化后就形成了焊点。在加热的过程中，吸收剂分解，涂层就完全失去了可见波段的颜色（见图1）。 添加剂
塑料激光焊接工艺 1．激光的波长 在金属材料的激光焊接工艺中，一般采用YAG或者CO2激光作为光源，塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的快速发展，半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。 三者之中，由于易于获得较大功率，前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍；而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高，但对可控性和易操作性要求较高，因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。 CO2、Nd:YAG和半导体激光三种光源的波长、最大功率、最小聚焦直径等参数的典型值如下所列： 1．CO2激光：波长较长，为10.6微米，属远红外波段，一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最大输出功率达50kW，转化效率约10％，最小聚焦直径约0.2～0.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深，适合于需要焊接较厚的塑料材料。CO2激光不能用光纤传输，只能$&* 透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路，从而影响激光头的操作性。 2．Nd:YAG激光：波长较短，为1.06微米，属近红外区波长，不易被塑料吸收。最大输出功率6kW，转化效率为3％，最小聚焦直径0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小，可以方便地通过光纤传输来构建光路，可将激光头装到机器人手臂上，实现焊接过程的数控和精密自动化；另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料，到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收，从而实现焊接。 3．半导体激光：波长0.8～1.0微米，最大输出功率6kW，转化效率30％，最小聚焦直径0.5mm。由于其输出输出功率较小，适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化。 2．塑料材料 能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。 塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为：在热作用区内的材料，要求对激光光波的吸收性好；不属于热作用区部分的材料，则要求对光波的透过性好，尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括： PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂（有机玻璃），PC塑料，ABS塑料, LDPE－低密度聚乙烯塑料，HDPE－高密度聚乙烯塑料，PVC－聚氯乙稀塑料，Nylon 6－尼龙6，Nylon 66－尼龙66，PS－PS树脂，等等。 上述各种塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对象。由于激光焊接具有传统焊接不具备的热作用区小、控制精确容易的特点，因此上述各种单体材料之间也可以进行焊接。 3．吸收剂 吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。如前所述，塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料融化，随后冷却自然实现塑料件的接合。让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量。塑料自身能够以较高吸
激光焊接原理与主要工艺参数 1．激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光
本文摘自再生资源回收-变宝网（https://www.doczj.com/doc/1f9396742.html,）分析塑料激光焊接及其应用 随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑，塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料，被日益广泛地应用在各行业的零部件设计、制造上，传统的金属部件越来越多地被拥有同样工作性能的塑料部件替代，同时对塑料零件之间的焊接连接技术和焊接质量也提出了更高的要求，这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。 一、传统塑料焊接常用的方法 1、热气焊接 热气焊接法利用加热的气流（通常为空气）将热塑性塑料基材和热塑性塑料焊条加热和熔化。基材和焊条熔融后形成焊缝。为确保有效焊接，必须在焊条上施加适当的温度和压力，还应确保合适的焊接速度和焊枪位置。主要用途包括化学品存储容器、通风管道和汽车保险杠等注塑件维修等。氮气用于氧气敏感的材料，如聚乙烯；氧气则形成更高的焊接强度。 这一焊接方法的主要优点在于能焊接大型、复杂的部件，但是焊接速度慢，焊接质量完全依赖于焊工的技能。 2、热板焊接 对于塑料接合来说，热板焊接是最简单的批量生产技术。高温热板夹于待接缝的表面之间，直到软化为止。此时，将热板抽出，两表面在受控压力之下贴合，保持一段特定的时间后合在一起。然后，让熔融表面冷却，形成焊接。焊接工具或加热组件配有内置电热器，以避免塑料粘连于焊接工具上。
多种日常用品都采用这一焊接工艺，例如：吸尘器外壳，洗衣机和洗碗机部件、制动液油箱、后灯、指示灯等汽车部件。热板焊接法的弊端在于焊接速度较慢。 3、植入焊接 在植入焊接中，首先将金属嵌件夹在待接缝的部件之间，然后通过感应或电阻方式加热。采用电阻焊接时，要求沿接缝放置电线将电流传导到植入件中；采用感应焊接时则不需要这种方式。植入焊接法已用于焊接大型部件等的复杂接缝，包括汽车保险杠、电动汽车和游艇船壳等。 5、摩擦焊接 热塑性塑料摩擦焊接（也称为“旋转焊接”）与金属焊接的原理相同。在这种焊接工艺中，将一片基材固定，另一片基材以受控的角速度旋转。当部件压合在一起时，摩擦热导致聚合物熔融，冷却后即形成焊接。摩擦焊接能产生优良的焊接质量，焊接工艺简单，重复性强，仅适合于至少有一个部件是圆形且不需要角度对齐的应用领域。 6、振动焊接 振动焊接也称为线性摩擦焊接。两件热塑性部件在适当的压力、频率和振幅下相互摩擦，直到产生足够的热量使聚合物熔融为止。振动停止后，部件彼此对齐，熔化的聚合物固化后形成焊接。 此焊接工艺主要优点在于能高速焊接大型复杂线性部件。其它强项包括：能同时焊接多个部件，焊接工具简单，几乎能焊接所有热塑性材料，主要用于汽车和家用电器行业。 7、超声波焊接
激光焊的主要工艺参数对焊接质量的影响 一、激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。 二、激光深熔焊接的主要工艺参数 1. 激光功率 激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。 一、激光焊接的主要特性。 20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接热传导。
激光焊接原理与主要工艺参数 作者:opticsky 日期:2006-12-01 字体大小: 小中大 1．激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，
透明塑料材料的激光焊接在许多工业应用中，热塑性元件的激光焊接已经成为一项 标准的加工方式。当使用二极管激光器、Nd:YAG激光器或光纤激光器时，标准的操作是在重合处进行投射式激光焊接。聚焦激光辐射穿透上层透明的塑料，被下层材料吸收，吸收的辐射能在表面转化成热能，由于热能的传导，就在上层形成接点。 原色或者有色的塑料在近红外波段的吸收较低。炭黑是一种树脂添加剂，它可以在很广的波段（从可见到红外）有效提高塑料对激光的吸收率。然而，如果使用了炭黑，塑料就只能做成深色，无法做成透明的塑料元件。 由英国剑桥焊接研究所（TWI）开发的Clearweld工艺使得透明或者有色塑料能够有效地吸收近红外光。它采用了特殊的近红外吸收材料作为元件表面的涂层，或者作为添加剂掺入下层的树脂中。这些材料在可见光范围内的吸收较小，在近红外区（800-1100 nm）的吸收较大。目前，在最大的吸收波长附近，具有各种不同的窄吸收带宽的吸收材料，它们可以被用来调整塑料的光学特性，以便适应各种常见的近红外激光器。除了取决于所使用的激光波长，最佳的吸收材料还取决于具体应用上的要求，比如加工参数、材料特性和目标元件所需的颜色。 Clearweld涂层工艺 带有吸收范围在940-1100 nm吸收剂的涂层为低粘性、基于溶剂的液体物质，被应用于各种配料系统中。典型的溶剂是乙醇和丙酮。涂层的用量以纳升/平方毫米（nL/mm2）为单位。溶剂可作为载体，挥发得很快，从而在塑料表面形成一层吸收材料薄膜。通常，干燥时间在1至7秒。也可以使用辅助干燥的方法，例如使用红外线灯对零件的预加热或者后加热，令溶剂的挥发更为迅速。涂层过程可以与焊接过程分开进行。 当涂层应用到材料表面时，一个均匀的吸收剂薄层就沉积在材料的表面。在激光辐射以前，干燥后的涂层在可见波段有些许颜色。进行焊接时，激光辐射被涂层吸收，同时被转化成热能。由于热传导，临近于涂层的表面材料被加热而熔化，固化后就形成了焊点。在加热的过程中，吸收剂分解，涂层就完全失去了可见波段的颜色（见图1）。添加剂 吸收剂还可被于许多热塑材料中，它作为添加剂被加入下层的塑料中以协助激光焊接过程。这个过程类似于在材料中添加炭黑，不过，这里的颜色更为多样，可被用于透明/不透明的塑料零件中。 根据应用上的不同要求，技术人员可以利用Clearweld吸收剂工艺来调节材料熔化的深度。这是通过改变树脂中吸模具设计师工作职责五金模具是什么https://www.doczj.com/doc/1f9396742.html,/zyzs/396.html 平面设计和产品设计一样吗？学平面设计要从哪儿下手啊https://www.doczj.com/doc/1f9396742.html,/zyzs/393.html 机械CAD证考试要多少钱？CAD考试有哪些级别https://www.doczj.com/doc/1f9396742.html,/cadjc/885.html 平面设计液晶显示器用哪种好？平面设计电脑配置https://www.doczj.com/doc/1f9396742.html,/pmsj/272.html https://www.doczj.com/doc/1f9396742.html, 郑州网页设计培训收剂的浓度来实现的。吸收剂浓度与光学穿透深度直接相关，提高浓度就使得穿透深度降低，从而也减小了熔化的深度。
浅谈塑料加工用激光焊接技术 【摘要】新型激光焊接技术在塑料焊接加工中发挥了重要的作用。本文主要分析了激光焊接技术的工作原理及其特点，探讨了塑料材料对激光焊接的适应性，并论述了激光焊接技术的运用和主要形式。 【关键词】塑料；加工；激光；焊接 激光焊接技术是通过该运用激光束产生的热量熔化塑料接触面，最终把热塑性片材、薄膜和模塑零部件粘结在一起。塑料的激光焊接技术是在利用激光束与有机高分子物质的作用以此达到对塑料的焊接和处理等加工的目的。激光加工技术是一种包括光、机、电和材料等多门学科在内的综合技术。激光加工无需接触加工面便能进行焊接，不仅能完成各类形状复杂塑料的高精度焊接，不会存在刀具磨损和更换刀头等工序，速度快、噪声小，推广价值很大。将激光技术与计算机控制技术相结合，能更好的实现激光加工全自动化，其优势和应用价值相当大。 1.激光焊接技术的工作原理及其特点 塑料的激光焊接会在很大程度上与焊接材料相关。一般的激光焊接主要是通过激光透射焊接，一方面要求这个激光辐射能穿透零件，另一方面要求零件具有强列的吸收性能。在采用这种焊接技术的时候，要注意避免2个焊接件相互间的裂缝。在进行激光焊接时，吸收性的零件升温并且局部熔化，通过热传导将能量传递到透光的零件，通过外部的压力将2个零件紧密结合在一起。所吸收的近红外线激光转化为热能，将两个部件的接触表面熔化，最终形成焊接区。这种焊接方法能够形成超过原材料强度的焊接缝。 当前，我国市场上广泛运用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接及超声波焊接等，主要是用在用于连接敏感性塑料制品、几何形状复杂的塑料件以及洁净度要求高的塑料制品上。 使用激光焊接技术来熔接塑料部件，具有很多其他传统方法不可比拟的优点：焊接缝尺寸精密、不透气及不漏水；激光焊接的接缝牢固且洁净，可以将很难连接的改性橡胶及玻纤填充的热塑性塑料进行焊接；能获得高精度的焊接件。在焊接的时候，树脂降解少，基本不会产生碎屑和飞边，部件表面能够精密连接；焊接设备不需要和被黏结的塑料零部件相接触，与其他熔接方法比较，大幅减少制品的振动应力和热应力；最小化热损坏和热变形，可以将不同组成或不同颜色的树脂黏结在一起；可焊接尺寸极小或外形结构复杂的零件，对有些复杂零件甚至可以进行“穿透焊接”；无振动技术能产生气密性的或者真空密封结构；能够将多种不同塑料焊接起来，而其他焊接方法有较大限制；设备自动化程度高，能方便用于复杂塑料零部件加工。非常适合运用在外形（甚至是三维）复杂塑料品的焊接上；能够焊接其他方法不易达到的区域。 因为激光焊接具有上述众多优点，因此尤其适合运用在对于清洁焊接方式要
一、激光焊接的主要特性 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接热传导 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。
1．激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。 2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。 光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。 3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。
激光焊接工艺简介 一、激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104-105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105-107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。 二、激光深熔焊接的主要工艺参数 （1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。 （2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。