激光焊接作為焊接靈敏部件（如內(nèi)有電路板的部件）、幾何形狀復(fù)雜的部件或者清潔度要求極其嚴(yán)格的部件（醫(yī)療器具）的一種專用方法已得到認(rèn)可，激光設(shè)備和塑料材料的發(fā)展正在激發(fā)人們更多的興趣。 激光長期以來應(yīng)用于金屬焊接，近期它突入到塑料的切割與標(biāo)識。然而，由于缺乏合適的設(shè)備、能焊接的聚合物和色彩的限定以及對該技術(shù)潛力的有限認(rèn)識，直到現(xiàn)在塑料激光焊接仍然滯后。 激光焊接的顯著特征在于它能夠產(chǎn)生一個精確、結(jié)實(shí)、氣密（氣密封和水密封）的焊縫，同時(shí)又能減少樹脂、粒子降解，并在零件焊縫表面周圍進(jìn)行接合。最近幾年來，這種不接觸焊接技術(shù)吸引了許多焊接精確、高價(jià)值制品的歐洲公司。在美國，激光焊接似乎能夠發(fā)展成為一種在焊接成本和焊接性能上取代已被認(rèn)可的超聲波、振動和熱板焊接等技術(shù)的焊接方法。然而，人們對它的陌生感仍然嚴(yán)重地阻礙著激光焊接的更加廣闊的應(yīng)用。 新激光設(shè)備正在減少那些障礙，不僅如此，創(chuàng)新性材料和添加劑使得激光焊接能夠在該技術(shù)曾不可及的彩色零件上實(shí)現(xiàn)其可行性?，F(xiàn)在，著色新技術(shù)也使黑色—黑色和亮色—亮色材料的激光焊接成為可能，而且材料供應(yīng)商正在根據(jù)現(xiàn)有的配方改進(jìn)材料的激光透射率或吸收性。 干凈、溫和、多功能 當(dāng)兩種材料對激光的反應(yīng)差異很大時(shí)可以使用激光透射焊接。 NIR激光光束、激光透射焊接、同步焊接、透射NIR零件、焊接熔融區(qū)、夾持壓力、吸收NIR零件。 該方法運(yùn)用波長在810～1064祄的近紅外線（NIR）。它穿過一個透射NIR的部件，然后被另一個吸收NIR的部件吸收，這兩個部件在低壓狀態(tài)下被夾在一起。吸收NIR的材料將NIR轉(zhuǎn)化成熱，部件表面熔化，而熱量同時(shí)傳回到激光透過部件的接合面上形成一個焊接區(qū)域。這時(shí)的焊接力超過了原材料的焊接力。 德國Branson公司最近在其超聲波、熱板、振動和旋轉(zhuǎn)焊接設(shè)備廠房中又添加了一套激光焊接系統(tǒng)。激光焊接的無碎屑特性使其在醫(yī)療器械、汽車及其他電子部件等領(lǐng)域深受喜愛。 Branson, a relatively new player in laser welding, is coming out with a simultaneous-type welder that's said to be more cost-effective in high-output production.激光焊接也能大大減少部件的振動及部件上的熱應(yīng)力。這種方法與其他焊接方法相比，“振動和燒焦”少，因此部件或組件內(nèi)部零部件所產(chǎn)生的降解也相應(yīng)減少。這個特點(diǎn)為激光焊接電子傳感器等脆弱部件打開了大門。 Leister公司的總經(jīng)理Jerry Zybko補(bǔ)充說：“大量不同的材料都能用激光焊接。例如用透過NIR將聚碳酸酯焊接到30%玻璃填充的黑色PBT上”。Zybko指出，其他焊接方法無法焊接聚合物結(jié)構(gòu)、軟化點(diǎn)及補(bǔ)強(qiáng)材料差異如此巨大的材料。激光焊接適合于焊接輪廓復(fù)雜（甚至是三維）的部件，也適合于焊接那些用其他焊接方法無法焊接的地方。 激光技術(shù)的成熟性，有助于擴(kuò)展其在塑料焊接中的作用。二極管和Nd：YAG類激光自從20世紀(jì)90年代中期就得到進(jìn)展，極好地應(yīng)用于激光焊接中。這些激光的能量已得到大大地增加，其成本與過去5年相比也下降了90%左右。已發(fā)現(xiàn)有多種塑料可以有效地透射在或接近二極管極光波段（810～940祄）和Nd：YAG極光波段（1064祄）的激光。（CO2激光器發(fā)射的波長容易被塑料所吸收而燒毀制品。） 二極光與Nd：YAG激光在用于塑料焊接時(shí)被證明還有很多功能。比如，二極管激光在做復(fù)雜線條焊縫時(shí)可以組態(tài)成幾排光束，而且二極管發(fā)射器可以裝在儲存箱體里為特殊應(yīng)用提供所需的焊接能量。 定制的塑料激光焊接設(shè)備 Leister公司的Novolas新產(chǎn)品系列就是這類新式設(shè)備的一個例子。該系列產(chǎn)品使用了高能量的二極管激光，每個二極管至少有25W的功率。Novolas C是一種曲線式或點(diǎn)式焊機(jī)，它可產(chǎn)生一種靠光學(xué)設(shè)備定型、聚焦的激光能曲線點(diǎn)。這種曲線點(diǎn)固定不動，而激光下的部件放在一個程控的、伺服驅(qū)動的X-Y軸上接受瞄準(zhǔn)，以便激光點(diǎn)可以穿過整個焊縫線。（也能用移動激光點(diǎn)來代替移動零件）Novolas C焊接的最大區(qū)域?yàn)?50×250mm。曲線焊接按照物體的幾何形狀工作非常靈活，但是這種方法相對較慢。 Leister's mask welding technique adds versatility by permitting complex and variable weld cross-sections.有一種比較快的方法叫“同步”焊接法,其激光束可用平行直線或曲線對準(zhǔn),所以它能夠完全暴露出整個焊縫，既不用移動光束,也不用移動零件。Leister公司的S型產(chǎn)品使用的便是這種方法。 同步焊接盡管速度快，但要受到焊接幾何形狀方面的限制。但是，Leister公司同步焊接法的衍生物——Novolas M（護(hù)層）新方法能夠克服這些局限。Leister公司使用了照相所采用的傳統(tǒng)膠片，固定不動的激光束可將物體上沒被膠片層覆蓋的那部分加熱。其優(yōu)點(diǎn)是，諸如圓形或圓錐型的復(fù)雜焊接幾何形體可用這種方法焊接。護(hù)層焊接方法同樣也能做出0.1mm的微小焊縫，而且焊縫的寬度也沒必要一致。據(jù)說Novolas M產(chǎn)品非常適合于醫(yī)療設(shè)施的微型焊接，它的自動掩模對準(zhǔn)分辨率可達(dá)2微米。 同步焊接和護(hù)層焊接的初始調(diào)整工作要比曲線焊接花費(fèi)的時(shí)間長，但據(jù)說同步焊接在大規(guī)模生產(chǎn)中的成本比較低。Bielomatik公司采用的是稱為“擬同步”的焊接方法,使用了70～250W的固態(tài)Nd：YAG激光。QSLW運(yùn)用高速掃描反光鏡,每秒種將激光光速來回在焊縫上掃描40多次。據(jù)報(bào)道，Bielomatik公司的產(chǎn)品能夠創(chuàng)造出0.1mm精細(xì)的焊縫。 Bielomatik公司的Laser-Tec QSLW裝置已在歐洲交付或訂購了20套，另外30套全球項(xiàng)目處于前期計(jì)劃階段。目前的一種用途是用于Mercedes交通工具電子車門開門器。其他的應(yīng)用有：汽車進(jìn)氣管的發(fā)動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、中央鎖系統(tǒng)、汽車齒輪箱、氣囊、油路及其引擎集成傳感器。 最近，Bielomatik公司組合制成復(fù)雜Laser-Tec裝置，用來增加焊接面積和零件的最大尺寸。雙激光式設(shè)備焊接的面積可達(dá)560 ×280mm，能夠焊接汽車駕駛室、壓力容器和大型傳感器。 Clear-to-clear laser welding is just now becoming feasible with Gentex's Clearweld technology.Branson公司是激光焊接領(lǐng)域的新成員，其紅外線組裝方法（IRAM）焊接設(shè)備的同步式（S）焊接法正在美國接受評審。今年年中將推出曲線式（C）焊接設(shè)備。Branson公司的Rooney說：“我們的產(chǎn)品能量更大、成本相對較低。”他解釋說，其IRAM設(shè)備運(yùn)用的是二極管系列激光，功率可增加到150W。這些裝置的功率有小規(guī)模是150~450W；中等規(guī)模的是600~900W；大規(guī)模的是900~1350W。 英國Herfurth Laser Technologies公司給歐洲最終用戶提供了5套定制設(shè)備，用以焊接汽車內(nèi)飾件、保險(xiǎn)杠以及醫(yī)療器械。公司總經(jīng)理Richard Icke指出，多數(shù)設(shè)備都使用了由光纖收集、分配的低能量族類二極管。比較起來，Herfurth公司更提倡使用操作能力達(dá)到250~1000W的高能量二極管，能量直接聚集在5×1mm的焊接區(qū)域內(nèi)。 Icke聲稱：“高能量二極管所做的焊接強(qiáng)度很高，可將PP和玻璃增強(qiáng)乙縮醛等難以焊接的不同材料焊在一起。”Herfuarth公司也使用了一個自動裝置來控制激光光束。焊接PP零件所做的5mm寬焊縫的速度是167mm/秒。 Herfurth公司說，其高能量激光可以焊接通常被認(rèn)為是低透過率、難以焊接的材料和色料。Icke列舉了幾個例子：汽車油路上的30%玻璃填充乙縮醛部件和汽車加速踏板傳感器用的黑色尼龍6和黑色尼龍66部件。Herfuth公司的設(shè)備也能用于在醫(yī)療液體輸送系統(tǒng)的管子和接頭上激光焊接聚酯和PP薄膜的應(yīng)用中。 拓展激光的使用范圍 為了響應(yīng)在激光焊接方面日益增長的需求，居于領(lǐng)先地位的材料供貨商都在研究他們的材料在激光焊接過程中的使用情況。在吸收NIR材料方面，Dupont和Ticona公司都報(bào)道說，普通碳黑可為多數(shù)熱塑性塑料提供良好的吸收NIR能力。NIR透過率在20~50%的聚合物通常情況下都表現(xiàn)良好。也就是說，多數(shù)普通級和半透明彩色級材料都可應(yīng)用激光焊接。PS、PVC和PP材料是令人滿足的NIR傳送器，盡管PP材料的焊接速度相對較慢。 Dupont公司的技術(shù)專家Craig Norrey說，該公司的尼龍66（88%的透過率）、乙縮醛（45%）、尼龍6（18%）和Hytel共聚酯TPE（28~35%）的NIR透過率很高。另一方面，有30%玻璃填充PET（5~6%）和LCP（1~2%）的低透過率使得這些材料不太適合于激光焊接。 Complex automotive cockpit assemblies are being laser welded in Europe. (Photo: Bielomatik)Ticona公司的資料表明，非填充乙縮醛（50%透過率）、PBT（30%）、玻璃增強(qiáng)PP（29%）能夠滿足透過NIR的聚合物標(biāo)準(zhǔn)。然而，該公司的PPS（6~12%）和LCP（7%）缺乏合適的透過率。Ticona公司有消息報(bào)道說，他們已找到了加強(qiáng)PBT和乙縮醛NIR透過率的特殊方法，最終能加快焊接，減少激光焊接中所發(fā)生的降解。 激光焊接的材料單上尚有許多空白，如PPS、PEEK、及LCP等高性能聚合物不能用做IR透過材料。另一個缺點(diǎn)是以碳黑作焊條的黑色—黑色材料組合無法用激光進(jìn)行焊接，阻礙了激光焊接技術(shù)在汽車內(nèi)部零部件和全黑色零部件中的廣泛應(yīng)用。 對于亮色-亮色（通常為全半透明和全白色）材料的焊接而言，由于兩種材料都不能吸收NIR，因此也不能應(yīng)用激光焊接，這對于透明度要求較高的醫(yī)療器械、包裝以及日用品的焊接來說也是一種不利因素。 最后一點(diǎn)，許多礦物質(zhì)填充的復(fù)合材料可以吸收NIR，但通常能夠使透過的NIR失真，這樣就削弱了焊接的效果。但是材料供貨商針對這種局限性通常已配置好了配方。 最近， 許多材料供應(yīng)商推出了克服上述種種缺點(diǎn)的激光透明碳黑配方。比如，BASF公司有兩種激光透明碳黑：Ultramid（用于尼龍66）、和Ultradur B 4300G 6 LT（用于PBT）。 這些像碳黑一樣的新穎染料，透過NIR的能力足可用于黑色-黑色材料的焊接。它應(yīng)用在DaimlerChrysler車的一個油傳感器。激光焊接在部件上形成的焊縫可以承受一側(cè)是冷凍水而另一側(cè)是300 F油所產(chǎn)生的熱沖擊力。部件還必須經(jīng)受得住搖動沖擊和振動。 Dupont公司的一種黑色乙縮醛的透光率有38%，可用于激光焊接。該公司也有一種NIR透光率為25~55%、含30%玻璃的黑色尼龍6。 RTP公司說他們開發(fā)玻纖、色料及其他添加劑的合金和專利材料，用來優(yōu)化可適合激光焊接的ABS、SAN、PP和其他樹脂的NIR透射率和吸收率。 來自Gentex Corp公司的新技術(shù)承諾通過消除對碳黑吸收NIR的依賴來擴(kuò)大激光焊接的色譜。Gretex公司光處理部的市場開發(fā)經(jīng)理L. P. Frieder宣稱：“該項(xiàng)技術(shù)為不同顏色的透明、淺色、甚至是不透明部件的有效的激光焊接開辟了一條道路?！彼忉屨f，Clearweld材料可以是無色的，但仍能吸收多數(shù)工業(yè)化二極管激光器發(fā)射出的940~1000祄激光。