干货 | 塑胶件紧固工艺之五：激光焊接

激光焊接的事理是两个塑胶件在较低压力下被夹紧在一起，将激光束聚焦于两个塑胶件至上，个中上层塑胶件对付红外激光是穿透的，下层塑胶件接管激光，接管激光能量的塑胶件将光能转化为热能，在塑胶件的打仗面熔化，同时热也传导到上层塑胶件，形成熔化区。
在夹紧力的浸染下，熔化区域产生分子间的稠浊，冷却后形成焊缝，从而把两个塑胶件紧固成一体。

1.2 激光焊接的光源

塑料激光焊接工艺中，一样平常采取YAG或者CO2激光作为光源。
随着半导体材料工业的快速发展，半导体激光作为光源也逐渐得到了运用。

CO2激光：

特点：波长为10.6微米，最小聚焦直径约0.2-0.7毫米；

优点：塑料对此波长的激光接管好；

缺陷：不能用光纤传输，激秃顶的操作性差；

适宜场合：焊接塑料时热浸染区较深，适宜须要焊接较厚的塑料材料；

YAG激光：

特点：波长1.06微米，属近红外区波长，最小聚焦直径0.1-0.5mm；

优点：聚焦区域小，可通过光纤传输来构建光路，可将激秃顶装到机器人手臂上，实现焊接过程的数控和精密自动化；

适宜场合：较好的透过上层待焊塑料，到达下层待焊接材料或中间层而被接管，从而实现焊接，汽车车灯的激光焊接常用此光源；

半导体激光

特点：波长0.8-1.0微米，最小聚焦直径为0.5mm;

优点：能量转换效率高，易于实现激光器的小型化和便携化；

缺陷：输出功率小；

适宜场合：适用于焊接激光功率哀求较低的场合

1.3 激光焊接的方法常见的激光焊接的方法包括以下几种：

轮廓焊接

轮廓焊接是最大略，目前利用最广的焊接流程。
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浸染韶光取决于光束焦点尺寸和移动速率，既而影响焊接韶光和效果。
轮廓焊接是一种非常灵巧的焊接流程，可实现繁芜的三维焊接，在包装行业里有广泛的运用。

同步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韶光，并许可搭桥焊接具有大缝隙的两个相邻部件。
与轮廓焊接比较由于更长的激光浸染韶光使通过同步焊接手法焊接的部位更加牢固

放射状焊接经由高速扫描电机定位后的激光束，再由圆锥型镜面二次反射，可形成对圆柱状表面圆周线状的焊接。
按电机扫描的速率快慢程度，可分别作顺序型周线焊接或准同步焊接。
零件的紧共同营确保了焊接加工所须要的嵌位压力，而零件在焊接过程中无须移动。

掩模焊接

掩模焊接是一种借助掩模，基于轮廓焊接或着同步焊接手法的流程，其事理与芯片制造上的光刻技能相似。
这种流程紧张利用在繁芜的几何焊接图案上，最小接缝宽度大于100m。
掩模每每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，以是掩模焊接每每缺少灵巧性，但适宜大批量的焊接加工。

Globo焊接

Globo焊接是沿着产品的轮廓周线进行焊接的。
激光束经由气垫式，可无摩擦任意滚动的玻璃球点状式的聚焦于焊接界面，该玻璃球不仅仅进行聚焦而且也充当机器夹紧夹具。
当该球在表面上滚动时，为接合面供应了持续压力。
这就确保了在激光加热材料的同时有压力夹紧。
该玻璃球取代了机器夹具，同时扩大了激光焊接在连续三维焊接中的运用范围。

1.4 激光焊接的优缺陷

激光焊接的优点：

焊接高强度焊接部件上的热应力和其它应力被降至最低大略的焊缝形状无振动加工空想的焊缝、完美的外不雅观干净、清洁、无粉末和杂质产生高精度非打仗式可达到气密、真空密封的效果无工具磨损无需耗材（黏合剂、紧固件）等、掩护用度低自动化激光焊接产量高

激光焊接的缺陷：

设备投资高

1.5 激光焊接的运用

塑料激光焊接技能的运用较广，范例运用领域包括：

医疗东西

某些分外用场的医用塑料东西产品，其形状和产品构造构成哀求必须用焊接的方法；

包装工业

例如高等工业制成品的包装，采取塑料薄膜焊接技能，可以得到加工高速、接缝可靠、外表都雅的塑料包装。
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。

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运用。
而焊接是个中必不可少的工艺，激光焊接又是所有焊接工艺中较传统工艺上风最大、技能成熟、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运用较多。

电子器件产品封装

电子器件产品的封装技能对付焊接环境和工艺的哀求非常严格，例如低尘埃量、低热量、无强震撼，封装精度高、接缝可靠耐用、外表都雅等。
封装用的材料很大一部分便是塑料，因此塑料激光焊接同样有很大的运用空间。

纺织品

激光焊接纺织品可以被称作激光缝合。
其接缝稳定可靠、加工速率快的优点非常适宜缝合纺织品。
一些防水服装装备和哀求气密性的装备，都可以利用激光焊接来加工。

2. 激光焊接的塑料和颜色

2.1 激光焊接对塑料哀求

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。
　

塑料激光焊接技能对被焊接塑料的哀求为：上层塑胶件材料，则哀求对光波的透过性好；下层塑胶件材料，哀求对激光光波的接管性好；尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。

激光对热塑性材料的焊接紧张是采取激光透射焊接的方法。
此方法对被焊接的两种材料性子有一定的哀求，也便是上面的热塑层对采取的激光波长是透明的，而下面的热塑层能接管激光能量。
激光束透过透明的上层材料到达下层材料，下层材料的表面因接管激光能量而熔化，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。
由于激光是非机器打仗的聚焦不才层材料的表面，激光引起的热效应是局域的，以是此方法可避免对被焊接材料的机器和热损伤。
目前热塑材料总加工的20%旁边是基于激光焊接的。

接管剂的运用是塑料激光焊接工艺中非常主要的工艺。
如前所述，塑料激光焊接的实质是将热浸染区的待焊接塑料融化，随后冷却自然实现塑料件的接合。
让塑料融化须要使塑料件接管足够的激光能量。
塑料自身能够以较高接管率接管激光能量自然最好，但一样平常在不添加接管剂的情形下，塑料对光波的接管性不是很好，接管效率很低，融化效率不理想。
　　

常日空想的接管剂是碳黑，碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部接管，从而大大提高塑料的热接管效果，使得热浸染区的材料融化更快、效果更好。
一些其他颜色的染料也能够起到相同的接管光波的效果

添加接管剂的方法有3种：一是直接向待焊接材料中渗入接管剂，这样该当将渗过接管剂的塑料件放不才面，而把没有渗接管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接管剂，这样只有被渗透了接管剂的一部分塑料将成为热浸染区而被融化；三是在两块待焊接塑料件的打仗处喷涂上或者印刷上接管剂。

2.2 塑料的激光焊接兼容性

并不是所有热塑性塑料都能兼容、焊接在一起。
塑料的激光焊接兼容性如图所示。

2.3 激光焊接的塑胶件颜色

塑料激光焊接中的一个主要课题便是两个被焊接塑胶件的颜色搭配，这是由所采取的激光透射焊接的事理所决定的。
下图显示了因材料颜色的不同而造成的焊接难易程度。
个中透明+玄色最随意马虎进行焊接。
而随着激光焊接技能的发展，白色+白色的激光焊接已经成为可能。

3. 塑胶件的激光焊接构造设计

3.1 激光焊接构造

塑胶件的激光焊接构造大致包括三种：搭接型、T型和圆周型。

（搭接型）

（T型）

（圆周型）

而对接的办法则不可取。

（对接）

3.2 激光焊接的其它把稳事变

同塑胶件的超声波焊接一样，在焊接之前两个零件之间须要先利用定位特色进行定位。

（利用定位特色）

其余，在设计塑胶件构造时，须要考虑激光束的可达性。

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关于作者：

钟元，2011年出版书本《面向制造和装置的产品设计指南》（DFMA）。

2019年12月即将出版《面向本钱的产品设计：降本设计之道》（DFC）。

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