激光焊接技術(shù)已經(jīng)是一項得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，主要應(yīng)用在金屬加工領(lǐng)域。隨著塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及它作為鋼鐵、鎂、鋁等金屬的替代品被廣泛的應(yīng)用于汽車、船舶、包裝、電子等行業(yè)，塑料激光焊接技術(shù)得到相應(yīng)的研究和應(yīng)用，并因其獨特優(yōu)勢受到推廣和青睞。
盡管塑料激光焊接技術(shù)幾十年前就有了，然而早期由于激光技術(shù)、吸收劑、焊接方式，尤其是激光加工系統(tǒng)成本高等原因，未受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
它在應(yīng)用方面的研究可追溯到1970年使用遠紅外CO?激光。但由于其激光波長較長，塑料材料透過性不夠高，工程塑料的搭接焊因此受限。1985年有采用近紅外ND:YAG激光光源，利用塑料的透過性和吸收性，首次報道了搭接接頭結(jié)合面處的焊接方法。隨著技術(shù)的進步，相關(guān)材料的研究和成本降低，塑料激光焊接技術(shù)再獲關(guān)注，將在相關(guān)行業(yè)發(fā)光發(fā)熱，帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。
塑料激光焊接原理
塑料激光焊接要求焊接材料一方具有激光透過性，另一方則具有吸收性，稱為透過式塑料激光焊接。對于吸收性不足的材料，通常采用添加吸收劑（碳黑）的方式。只是碳黑也能吸收可見光，容易造成焊縫顏色變深，與母材顏色不同。英國焊接學(xué)會(TWI，The Welding Institute)已研制出對可見光透明的染料，可解決此問題。
激光穿過透過性塑料到達吸收性塑料表面，吸收性塑料在加熱下軟化、熔融。同時由于熱傳導(dǎo)透過性塑料側(cè)也軟化、熔融。熔核尺寸達到要求后，撤掉激光熱源，在壓力作用下實現(xiàn)焊接。
目前已有多種塑料焊接方法，如：超聲波焊接、摩擦焊接、振動焊接、熱板焊接，各種焊接方法適合不同尺寸、形狀的焊接部件，優(yōu)劣比較見下圖。
由此可見，相較于常規(guī)塑料焊接方式，塑料激光焊接能從二維到三維，打破形狀結(jié)構(gòu)的制約，具有高效、高質(zhì)、自動化優(yōu)勢，適合更多領(lǐng)域的焊接需求。
塑料激光焊接方式
輪廓焊接：一種激光掃描焊接方式。可固定工件，令激光光束沿待焊接區(qū)域輪廓運動；也可固定激光光束，令待焊接工件沿預(yù)定軌跡運動。適用于復(fù)雜的二維焊縫，自由度高，靈活性好。
同步焊接：利用光學(xué)整形元件調(diào)整激光束形狀，將一束或多束激光同時投射到待焊接區(qū)域，塑料軟化、熔融，完成焊接。
準同步焊接：綜合前兩種焊接方式，焊接強度和質(zhì)量與激光掃描速度、圈數(shù)，激光強度相關(guān)。
掩膜焊接：即在激光光源與待焊接區(qū)域之間加一層膜，利用掩膜的遮蔽，使激光束僅作用于希望被焊接的區(qū)域。同時，掩膜可根據(jù)具體情況來進行設(shè)計，因此適用于不同平面幾何形狀，實現(xiàn)精細焊接。
放射狀焊接：主要用于圓柱狀被焊物表面圓周線狀的焊接，具體可采用輪廓焊接或準同步焊接方式。
GLOBO焊接：又稱球形焊接，Leister公司推出世界上首個3D塑料制件球形焊接系統(tǒng)。不需附加加緊裝置，夾緊壓力和能量作用可以同步優(yōu)化，可與多維機械手配套使用，適用于二維三維任意形狀焊縫的焊接。
瑞士、德國開始塑料激光技術(shù)設(shè)備研究早，leister、rofin公司網(wǎng)頁有專門針對塑料激光技術(shù)的介紹及設(shè)備展示，德國LIMO半導(dǎo)體激光器塑料焊接系統(tǒng)，美國相干也是制造塑料焊接用激光器的少數(shù)企業(yè)之一。
國內(nèi)對塑料激光焊接技術(shù)研究較晚，且多在學(xué)術(shù)理論方面的研究，實際應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對國外來說比較少。2005年華中科技大學(xué)建立了半導(dǎo)體激光焊接系統(tǒng)，2006年上海激光技術(shù)研究所研究了塑料的激光焊接工藝，2017年大族激光推出新型透明塑料激光焊接系統(tǒng)。國內(nèi)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化及企業(yè)關(guān)注程度仍顯不足，市場還有待開發(fā)，留給國內(nèi)企業(yè)的空間還很大。
塑料激光焊接應(yīng)用優(yōu)勢及前景
環(huán)保要求及輕量化趨勢使得塑料越來越多的替代工業(yè)制品中的金屬部分，而塑料激光焊接相對其他焊接技術(shù)，具有更多優(yōu)勢：
1）非接觸焊接，與待焊接工件不發(fā)生物理接觸，熱塑性塑料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可在工業(yè)環(huán)境下操作，適用于需要衛(wèi)生安全的醫(yī)療和食品行業(yè)。醫(yī)療行業(yè)主要用于注射系統(tǒng)、醫(yī)療電子設(shè)備、各種人造移植及造口產(chǎn)品等。
2）激光束形狀尺寸可調(diào)控，從而控制熱影響區(qū)和接合區(qū)域大小，自由度高，靈活性好。不限制待焊接零部件尺寸及形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)二維甚至三維的焊接，為多樣化定制化零部件生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。
3）焊接速度快，焊縫強度高，無飛邊，無殘渣，能夠保證焊接區(qū)域的良好外觀。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，就普通乘用車而言，非金屬材料重量占比約1/3，部分車型這一占比更大，塑料則是車用非金屬四大材料之一。高檔轎車保險杠采用塑料激光焊接能夠達到強度和外觀兩全其美。其他如汽車濾清器、氣液分離器、汽車儀表盤外殼、電子開門器、變速箱等激光焊接都能發(fā)揮良好效果。
4）精密牢固，不透氣，不漏水，能極大減少熱應(yīng)力和振動應(yīng)力，對于精密電子元器件及易損壞器件來說最適合不過。
總體來說，塑料激光焊接能夠彌補常規(guī)塑料焊接方法的不足，而我國是一個巨大的塑料制品市場。2011-2015 年，我國塑料制品產(chǎn)量從 5474.31 萬噸快速增長至 7560.70 萬噸，年復(fù)合增長率為 8.41%。2016年，中國塑料制品產(chǎn)量為7717.2萬噸，同比增長2.7%。
在汽車制造行業(yè)中，汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的標(biāo)志之一，自20世紀70年代開始，汽車塑料的應(yīng)用經(jīng)歷了從內(nèi)飾件向外部飾件不斷擴展的發(fā)展歷程，用量從約50 kg/輛迅速上升至目前約150 kg/輛，并且仍在持續(xù)增長中。
都說見微知著，更何況這已不只是“微”的程度了，塑料激光焊接將是未來的發(fā)展趨勢，市場前景廣闊。目前國內(nèi)已有企業(yè)關(guān)注到這一市場，并研發(fā)用于塑料焊接的激光設(shè)備。例如大族激光推出W421透明塑料激光焊接系統(tǒng)，華焯科技自主研發(fā)了激光塑料焊接技術(shù)設(shè)備。對于激光企業(yè)來說，現(xiàn)在正是開疆拓土的時刻，誰掌握先機，就能率先占有市場。
激光焊接技術(shù)已經(jīng)是一項得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，主要應(yīng)用在金屬加工領(lǐng)域。隨著塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及它作為鋼鐵、鎂、鋁等金屬的替代品被廣泛的應(yīng)用于汽車、船舶、包裝、電子等行業(yè)，塑料激光焊接技術(shù)得到相應(yīng)的研究和應(yīng)用，并因其獨特優(yōu)勢受到推廣和青睞。
盡管塑料激光焊接技術(shù)幾十年前就有了，然而早期由于激光技術(shù)、吸收劑、焊接方式，尤其是激光加工系統(tǒng)成本高等原因，未受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
它在應(yīng)用方面的研究可追溯到1970年使用遠紅外CO?激光。但由于其激光波長較長，塑料材料透過性不夠高，工程塑料的搭接焊因此受限。1985年有采用近紅外ND:YAG激光光源，利用塑料的透過性和吸收性，首次報道了搭接接頭結(jié)合面處的焊接方法。隨著技術(shù)的進步，相關(guān)材料的研究和成本降低，塑料激光焊接技術(shù)再獲關(guān)注，將在相關(guān)行業(yè)發(fā)光發(fā)熱，帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。
塑料激光焊接原理
塑料激光焊接要求焊接材料一方具有激光透過性，另一方則具有吸收性，稱為透過式塑料激光焊接。對于吸收性不足的材料，通常采用添加吸收劑（碳黑）的方式。只是碳黑也能吸收可見光，容易造成焊縫顏色變深，與母材顏色不同。英國焊接學(xué)會(TWI，The Welding Institute)已研制出對可見光透明的染料，可解決此問題。
激光穿過透過性塑料到達吸收性塑料表面，吸收性塑料在加熱下軟化、熔融。同時由于熱傳導(dǎo)透過性塑料側(cè)也軟化、熔融。熔核尺寸達到要求后，撤掉激光熱源，在壓力作用下實現(xiàn)焊接。
目前已有多種塑料焊接方法，如：超聲波焊接、摩擦焊接、振動焊接、熱板焊接，各種焊接方法適合不同尺寸、形狀的焊接部件，優(yōu)劣比較見下圖。
由此可見，相較于常規(guī)塑料焊接方式，塑料激光焊接能從二維到三維，打破形狀結(jié)構(gòu)的制約，具有高效、高質(zhì)、自動化優(yōu)勢，適合更多領(lǐng)域的焊接需求。
塑料激光焊接方式
輪廓焊接：一種激光掃描焊接方式?？晒潭üぜ罴す夤馐卮附訁^(qū)域輪廓運動；也可固定激光光束，令待焊接工件沿預(yù)定軌跡運動。適用于復(fù)雜的二維焊縫，自由度高，靈活性好。
同步焊接：利用光學(xué)整形元件調(diào)整激光束形狀，將一束或多束激光同時投射到待焊接區(qū)域，塑料軟化、熔融，完成焊接。
準同步焊接：綜合前兩種焊接方式，焊接強度和質(zhì)量與激光掃描速度、圈數(shù)，激光強度相關(guān)。
掩膜焊接：即在激光光源與待焊接區(qū)域之間加一層膜，利用掩膜的遮蔽，使激光束僅作用于希望被焊接的區(qū)域。同時，掩膜可根據(jù)具體情況來進行設(shè)計，因此適用于不同平面幾何形狀，實現(xiàn)精細焊接。
放射狀焊接：主要用于圓柱狀被焊物表面圓周線狀的焊接，具體可采用輪廓焊接或準同步焊接方式。
GLOBO焊接：又稱球形焊接，Leister公司推出世界上首個3D塑料制件球形焊接系統(tǒng)。不需附加加緊裝置，夾緊壓力和能量作用可以同步優(yōu)化，可與多維機械手配套使用，適用于二維三維任意形狀焊縫的焊接。
瑞士、德國開始塑料激光技術(shù)設(shè)備研究早，leister、rofin公司網(wǎng)頁有專門針對塑料激光技術(shù)的介紹及設(shè)備展示，德國LIMO半導(dǎo)體激光器塑料焊接系統(tǒng)，美國相干也是制造塑料焊接用激光器的少數(shù)企業(yè)之一。
國內(nèi)對塑料激光焊接技術(shù)研究較晚，且多在學(xué)術(shù)理論方面的研究，實際應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對國外來說比較少。2005年華中科技大學(xué)建立了半導(dǎo)體激光焊接系統(tǒng)，2006年上海激光技術(shù)研究所研究了塑料的激光焊接工藝，2017年大族激光推出新型透明塑料激光焊接系統(tǒng)。國內(nèi)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化及企業(yè)關(guān)注程度仍顯不足，市場還有待開發(fā)，留給國內(nèi)企業(yè)的空間還很大。
塑料激光焊接應(yīng)用優(yōu)勢及前景
環(huán)保要求及輕量化趨勢使得塑料越來越多的替代工業(yè)制品中的金屬部分，而塑料激光焊接相對其他焊接技術(shù)，具有更多優(yōu)勢：
1）非接觸焊接，與待焊接工件不發(fā)生物理接觸，熱塑性塑料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可在工業(yè)環(huán)境下操作，適用于需要衛(wèi)生安全的醫(yī)療和食品行業(yè)。醫(yī)療行業(yè)主要用于注射系統(tǒng)、醫(yī)療電子設(shè)備、各種人造移植及造口產(chǎn)品等。
2）激光束形狀尺寸可調(diào)控，從而控制熱影響區(qū)和接合區(qū)域大小，自由度高，靈活性好。不限制待焊接零部件尺寸及形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)二維甚至三維的焊接，為多樣化定制化零部件生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。
3）焊接速度快，焊縫強度高，無飛邊，無殘渣，能夠保證焊接區(qū)域的良好外觀。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，就普通乘用車而言，非金屬材料重量占比約1/3，部分車型這一占比更大，塑料則是車用非金屬四大材料之一。高檔轎車保險杠采用塑料激光焊接能夠達到強度和外觀兩全其美。其他如汽車濾清器、氣液分離器、汽車儀表盤外殼、電子開門器、變速箱等激光焊接都能發(fā)揮良好效果。
4）精密牢固，不透氣，不漏水，能極大減少熱應(yīng)力和振動應(yīng)力，對于精密電子元器件及易損壞器件來說最適合不過。
總體來說，塑料激光焊接能夠彌補常規(guī)塑料焊接方法的不足，而我國是一個巨大的塑料制品市場。2011-2015 年，我國塑料制品產(chǎn)量從 5474.31 萬噸快速增長至 7560.70 萬噸，年復(fù)合增長率為 8.41%。2016年，中國塑料制品產(chǎn)量為7717.2萬噸，同比增長2.7%。
在汽車制造行業(yè)中，汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的標(biāo)志之一，自20世紀70年代開始，汽車塑料的應(yīng)用經(jīng)歷了從內(nèi)飾件向外部飾件不斷擴展的發(fā)展歷程，用量從約50 kg/輛迅速上升至目前約150 kg/輛，并且仍在持續(xù)增長中。
都說見微知著，更何況這已不只是“微”的程度了，塑料激光焊接將是未來的發(fā)展趨勢，市場前景廣闊。目前國內(nèi)已有企業(yè)關(guān)注到這一市場，并研發(fā)用于塑料焊接的激光設(shè)備。例如大族激光推出W421透明塑料激光焊接系統(tǒng)，華焯科技自主研發(fā)了激光塑料焊接技術(shù)設(shè)備。對于激光企業(yè)來說，現(xiàn)在正是開疆拓土的時刻，誰掌握先機，就能率先占有市場。