原创 塑料的激光复合焊接技术

借助于卤素灯的加热，激光复合焊接克服了常规焊接工艺的缺陷，可获得较大的工艺窗口和较快的焊接速度，焊缝强度也显著提高，使得三维大件产品的焊接成为可能。

乐普科(天津)光电有限公司苏州分公司  杨学宝  
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概述
据统计，全球范围内的塑料焊接设备年销售份额中，摩擦和热板焊接占据的比重最大。这两种技术都可提供多种经济的焊接系统，但它们都属于接触式焊接方式，难免会对工件或者治具产生较大的机械应力。而轮廓焊接则对注塑工件的要求非常严格，且焊接周期时间长，也限制了其应用范围。
一旦上述缺陷成为选择工艺时考虑的决定性因素，则非接触式红外辐射激光焊接的优势便凸现出来，并深受人们青睐。应用这种方法进行焊接时，激光首先穿透顶层材料到达焊接区，但在穿透的同时会稍有衰减，而剩余的激光到达焊接区时被底层材料吸收，由此产生热量，再借助夹具向塑料工件施加压力，并同时将热量传导给顶层工件，从而使结合面的塑料熔化，最终将工件焊接起来（见图1）。

图1   激光塑料焊接原理

这一原理的应用可追溯到上世纪70年代，当时采用白炽灯作为光源。然而，由于这种灯泡的发光效率太低，当时所能获得的焊接速度只有几mm/s。
到了90年代，激光被认为是很好的光源，并开始引入焊接塑料。激光焊接的能量易于控制，光束强度好，且焊接的稳定性和效率都得到了提高，尤其适合焊接电子封装外壳。尽管人们千方百计地试图把激光焊接扩展到较大、复杂的三维产品中，但至今仍未有成功应用。由于大的注塑件往往有较大的几何误差需要补偿，激光焊接固有的持久热接触则限制了其在这方面的应用。
因为注塑工件存在误差，在焊接过程中最大限度地容忍工件间的结合间隙是非常必要的，而激光复合焊接同时具有激光焊接和卤素灯红外焊接的优点，可很好地克服常规的激光塑料焊接的各种缺陷，可焊接那些尺寸较大的三维工件。由于增添了卤素灯作光源，不仅减小了所需激光的功率，相应地也降低了费用。本人将讨论较大温度场效应，并揭示较之常规激光焊接的优点。
激光复合焊接
1、焊接原理
激光复合焊接时，焊接的能量由半导体激光和辅助热源（如卤素灯）同时提供，二者均安装于焊接头内部。卤灯发出的多频谱光直接对上层材料进行加热，这样相对于常规的激光焊接，焊接面的温度传导更均衡，且会有不同的横向热流产生。
2、系统构造
如图2所示，作为工业用途的激光复合焊接头主要由卤素灯反射镜、激光透镜和压力夹具组成。安装在焊接头上的机械手通过控制焊接头可完成复杂的三维轨迹运动。

图2 激光复合焊接头

然而，将激光和卤素灯光聚焦于一点非常具有挑战性。一般，激光由二极管激光器产生，可用光纤和透镜等普通光学元件进行聚焦。而卤素灯光的聚焦方法，则是把其灯丝放在椭球反射镜的一个焦点上，这时灯光汇集到反射镜的另一个焦点上，并和位于焊接面上的激光焦点重合（见图3）。由于灯光属于非相干光，因此焊缝和灯丝之间留一小段距离是十分必要的。这样可最大程度地将能量集中在焦点处。相对于直射光的圆形焦点，椭球反射镜的排列可导致灯光分在较大的椭圆截面上。图3中的β角为最小入射角，是椭圆反射镜的主轴与普通光学元件的主轴之间的夹角。最小入射角β由反射镜所需空间决定，最大可能强度可达81%。这样，总体的最大灯光强度就由三只灯叠加得到。据测量，由这种方式得到的聚焦光斑的直径大约是10mm。

图3激光源和卤素灯组合

3、工艺
由典型的二极管激光器产生的激光其波长在808～980nm之间，可几乎无损失地穿过2mm厚的PC样片（见图4）。热作用区位于吸收层。有研究表明，焊缝强度随透光层材料熔化深度的增加而增加。

图4 激光光谱和PC材料吸收

由于激光复合焊接时不仅有激光热传导，还有卤素灯光加热，因此上层材料的热作用区会变大。两种光源对材料的散射作用不同，如半结晶材料中的晶体或普通的增强玻纤，半结晶材料会使卤素光的散射均匀化而非削弱之。但是，激光的绝对强度仍要比卤素光高出一个数量级。
4、实验部分
由于卤素灯的额外加热，激光复合焊接时要维持最大拉伸强度并提高焊接速度是有可能的，这可以通过实验进行验证。叠焊材料选用黑色和自然色两种PC材料， 并应用激光复合焊接和常规激光焊接两种焊接方式焊接40mm×20mm×2mm的T字形样本。焊缝强度用常规的拉伸测试确定，焊缝面积限于80 mm2，且由吸收层的长度和厚度决定。若材料因输入能量高而产生变形，并导致焊缝变宽，那么在计算下述数据时需考虑在内。
图5所示是材料进行激光复合焊接和常规激光焊接后的拉伸强度和焊接速度对比图，其中激光复合焊接时设定激光的功率为5W，卤素灯的功率为160W。

图5 PC材料的拉伸强度和焊接速度对比图

实验结果表明，激光复合焊接可获得较大的工艺窗口和较快的焊接速度，焊缝强度也显著提高，工件的结合间隙的适应能力也提高了2倍。由图5可以看出，在总的光强仅提高约50%的情况下，焊接速度可提高4倍，且最大拉伸强度也有明显提高。
由于注塑工件存在误差，在焊接过程中，最大限度地适应工件的结合间隙是非常必要的。为此，实验还准备了不同间隙深度的样本进行测试，其中间隙深度是焊缝总长度的一半。当间隙为0.2mm时，激光复合焊接的强度可达原材料强度的71%。借助夹具压力，激光复合焊接可焊高达0.4mm的间隙，而常规激光焊接对于超过0.1mm的间隙就很难焊接了。
焊接冷却时产生的残余应力往往会导致产生应力裂纹。为了减小残余应力，工件在焊接后往往要进行回火处理。图6所示为焊缝在不同浓度的丙酮溶剂中浸泡5min后的截面图。从图中可明显看出，激光复合焊接极大地减小了残余应力，且由于第二热源的存在和温度分布的改良，在焊接过程中材料的蠕变已达到顶点，因此也无需进行后续的回火处理。

图6 应力裂纹测试

应用报告
激光复合焊接的主要应用之一是汽车尾灯。出于美观，车灯的焊缝不能被看出来，而常规的连接技术，如胶粘或振动焊接等，往往做不到这一点。韩国的汽车零部件供应商SL Corporation公司曾利用激光复合焊接技术做了大量的测试，并与其他的相关技术做了对比。结果表明，激光复合焊接可更好地满足焊缝的视觉美观要求，且焊接速度最快，焊接强度最高。
一般，汽车尾灯的外壳为PMMA材料，并随添加颜料的不同，其颜色呈黑色、灰色或红色，玻璃盖子则是透明或红色的PC材料。在同一台焊接设备上完成所有的颜色组合焊接，焊缝总长约1000mm。为保证焊缝的焊接质量，需对尾灯设计做轻微的修改，如增加外壳的硬度，以免在安装压力夹具时发生移动。
在施加压力时，使用夹持手指和顺序夹持模块相结合的技术能够取得很好的效果。由于尾灯默认的锐角小于45°，若仅使用夹持手指，则在焊接灯外边缘时，夹持手指的高压力会导致上层材料在焊接方向移动。通过几个顺序夹持元件可以有效防止材料的移动，很好地解决这一这个问题（见图7）。
大量测试表明，激光复合焊接在焊接汽车尾灯时具有极大的优势：焊缝美观、焊接质量稳定、无气泡裂纹，且焊接速度比常规激光焊接快近5倍，焊接强度也同步提高。整个焊接过程可在30s内完成，汽车尾灯（见图8）的焊接与产品的颜色无关，且无需进行后续去应力的热处理。

图7 顺序压力夹持模块

图8激光复合焊接的汽车尾灯

结论与展望
常规的激光塑料焊接工艺非常可靠，且焊缝强度高，但仍无法应付那些复杂的三维大件产品。而借助卤素灯，激光复合焊接可显著改善工艺效果，焊接速度可提高2倍以上且不会降低焊缝强度，事实上，最大可达拉伸强度还有所提高。激光复合焊接扩大了工艺窗口，提高了工件的结合间隙的适应力，且显著减小了残余应力减小，从而保证了焊接工艺的稳定性。这也使得激光复合焊接工艺在焊接三维大件产品时具有极大的优势。