激光焊接技術的快速發(fā)展講解

1、激光焊接技術的快速發(fā)展激光焊接塑料的基本原理是，通過夾具施壓將兩個工件疊加在一起，再向上面 的工件射入激光，使激光能夠穿透該工件并被下面的工件吸收。吸收的激光光 能轉(zhuǎn)化為熱能，進而使兩工件的接觸面熔化，最終形成焊接區(qū)。然而，人們真 正認識到應用激光焊接技術來焊接熱塑性材料卻經(jīng)歷了相當長的過程。在新材 料、新設備和新技術工藝層出不窮的時代，現(xiàn)在的生產(chǎn)者不僅要了解激光焊接 的特性、優(yōu)點和要求，還應認識到此領域的諸多創(chuàng)新和未來趨勢，這激光焊接塑料的基本原理是，通過夾具施壓將兩個工件疊加在一起，再 向上面的工件射入激光，使激光能夠穿透該工件并被下面的工件吸收。吸收的 激光光能轉(zhuǎn)化為熱能，進而使兩工件的

2、接觸面熔化，最終形成焊接區(qū)。然而， 人們真正認識到應用激光焊接技術來焊接熱塑性材料卻經(jīng)歷了相當長的過程。 在新材料、新設備和新技術工藝層出不窮的時代，現(xiàn)在的生產(chǎn)者不僅要了解激 光焊接的特性、優(yōu)點和要求，還應認識到此領域的諸多創(chuàng)新和未來趨勢，這樣 才能把握技術流行趨勢，始終處于科技的最前沿。材料的發(fā)展為了能夠更好地適應激光焊接技術，材料 供應 商在熱塑性材料方面已取 得一些重大進展。大約 3 年前，幾乎所有的單一自然材料在添加碳黑后，都可 以獲得很好的激光焊接質(zhì)量，但那時吸收劑的顏色只能是黑色?，F(xiàn)在，這方面 已經(jīng)有了很大的進展。生產(chǎn)者幾乎可以設計任何顏色，而且能同時滿足激光焊 接的要求，并保證工

3、藝的穩(wěn)定性。除了顏色，材料技術的創(chuàng)新也打破了激光焊接原有的一些限制。例如， 熱塑性材料最初使用的阻燃劑都是磷化阻燃劑，對其進行激光焊接時往往會導 致材料對近紅外光的透光率不足?，F(xiàn)在，很多材料供應商都開發(fā)出了新型的無 氯阻燃劑，很好地解決了這一問題，從而成功地滿足了激光焊接的要求。工藝和設備技術早些年，激光焊接技術即使是焊接很小的 電子器件外殼，也需要很大的 機器，同時需要復雜的外部冷卻系統(tǒng)，因此需要占用很大的工廠空間，這無疑 會導致較高的投資費用，而且那時的焊接設備習慣使用Nd: YAG固態(tài)激光器。雖然后來二極管激光器的成功應用逐漸取代了這種固態(tài)激光器，但這些二極管 激光器的質(zhì)保時間通常不足3

4、000h,仍然無法和固態(tài)激光器競爭。隨著新型的 二極激光器的研制成功，它們幾乎都是免維護的，而且預期壽命可高達 20000h，因此成功地替代了固態(tài)激光器成為廠商的首選?，F(xiàn)在的激光焊接系統(tǒng) 其結(jié)構簡潔緊湊，標準的系統(tǒng)可處理最大 240mM 240mm勺工件，而且聚焦直徑 小于1.5m m。此外，還可選用各種過程監(jiān)測手段?？吹蕉O管激光技術的巨大應用潛力和廣闊的應用前景，供應商們不斷 加大研發(fā)力度，許多新技術由此應運而生。例如，二極管激光 光纖耦合技術以 及使用工業(yè)機械手進行激光焊接等，其中，二極管激光光纖耦合技術即使更換 激光源后仍可保證激光光束的均一性。隨著技術的進步，激光焊接能夠很容易地利用

5、工藝和設備的優(yōu)勢來彌補 該技術與常規(guī)方法在設備成本上的差距。因此，成本因素已經(jīng)不再是限制激光 焊接技術獲得廣泛應用的主要原因。作為激光焊接應用的領航者，汽車行業(yè)的巨大發(fā)展也再次驗證了激光焊 接技術的優(yōu)勢所在。以傳感器外殼為例（如圖1所示），激光焊接技術在汽車領 域已有數(shù)年應用。目前，任何新 模塊的設計從一開始就是為了適應其變化。在 敏感電子封裝方面，采用常規(guī)的焊接方法往往會對電子部件產(chǎn)生明顯的機械應 力和高溫影響，而激光焊接則能夠按需控制和調(diào)整焊接能量，從而保證了焊接 質(zhì)量的精細準確。另外，激光焊接的經(jīng)濟性也緩解了汽車行業(yè)所面臨的降低費 用的極大壓力。激光焊接技術在汽車行業(yè)的成功應用完全能夠證

6、明這一點。圖1汽車傳感器未來趨勢關于器件尺寸，市場有兩種相反的趨勢：一方面，器件越來越小，且焊 縫復雜；另一方面，器件更大，且是三維的。而激光焊接設備的不斷發(fā)展，可 同時滿足這兩種要求。目前，醫(yī)學診斷產(chǎn)品持續(xù)向小型化方向發(fā)展，這就要求焊接技術能夠在 最小的空間同時集成數(shù)種功能器件。采用其他方法焊接毛細微流結(jié)構（如圖 2 所示）十分困難，或者根本就不可能，而現(xiàn)在，即使當今廉價的電鏡掃描激光系統(tǒng) 都可以焊接這種產(chǎn)品。以前，人們會選擇容易聚焦的 Nd: YAG激光器，但該技 術成本非常昂貴，且技術不夠靈活。相比之下，光纖激光或光纖耦合二極管激 光焊接技術不僅能夠滿足0.1m m的焊縫寬度，且不受焊縫

7、形狀和腔室大小的限 制。圖2微流體結(jié)構：焊縫寬度小于0.5mm長度約2m如果減小光纖內(nèi)徑，在實現(xiàn)高速焊接的同時，電鏡掃描激光系統(tǒng)也可焊 接較小的焊縫或較大的焊接面積。為了適應器件尺寸的變化趨勢，LPKF公司（樂普科光電公司 ）已開發(fā)出了適合三維焊接的電鏡掃描焊接系統(tǒng) （如圖 3 所 示），該系統(tǒng)的焦深變化高達80mm這樣配合使用二極管激光器，可使焊接工 件的焊接面積擴大為370mM 370mm且焊縫寬度小于2mm目前，該技術已應 用于焊接引擎艙或汽車內(nèi)飾等大型三維汽車部件。圖3 LPKF電鏡掃描焊接系統(tǒng)但是，電鏡掃描系統(tǒng)的應用處理存在一定的局限性，像汽車尾燈這樣的 復雜三維部件由于側(cè)凹或逆向的

8、光束角會阻礙激光的照射，因此必須選擇輪廓 焊接方法。而輪廓焊接對工件的要求非常嚴格，且焊接周期長，也限制了其在 這方面的應用。LPKF公司發(fā)明了一種復合焊接方法，彌補了輪廓焊接的許多不足，在焊接三維大件產(chǎn)品時具有極大的優(yōu)勢。該方法利用可彎曲的柔性機械手來引導 激光，而夾具所需壓力來自焊接頭。采用的滾輪可產(chǎn)生很大的壓力而不會使工 件產(chǎn)生壓痕，而且它對污垢不敏感。更重要的是，該技術將激光和具有較寬光 譜的氯素燈一起使用，氯素燈直接對上面的工件進行加熱，同時吸收從下面工 件傳來的熱量，形成對工件的整體加熱，這樣相對于常規(guī)的焊接方法，工件焊 接面的熱傳遞更均勻，而且降低了上面工件的硬度，若存在間隙誤差

9、，也可較 早得到處理，進而保證更高更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，并同時縮短了焊接時間。由于 增添了氯素燈，有效降低了所需激光的功率，相應降低了成本費用。另外，應 用復合焊接時，工件的內(nèi)在殘余應力很小，后續(xù)的回火處理可大大簡化甚至不 再必要，這對于非結(jié)晶熱塑材料具有極大的好處。復合焊接設備如圖 4 所示。圖 4 LPKF 復合焊接系統(tǒng)除了器件焊縫方面的創(chuàng)新，還出現(xiàn)了很多新材料的組合方法，激光焊接 技術也不再局限于硬 / 硬材料的組合方式。新的激光焊接材料層出不窮，包括熱 塑布料、熱塑彈性體以及包裝和醫(yī)學導管用的薄片材料等，擴大了激光焊接技 術的應用范圍?，F(xiàn)在，甚至可以利用激光吸收劑或涂料來實現(xiàn)非結(jié)晶塑料的清 潔焊接，簡單而又可靠。其他激光源，如 C02激光器的出現(xiàn)為激光焊接技術提 供了新的契機，因為其長波光可被任何透明塑料吸收。從經(jīng)濟性角度看，二極管激光和工藝技術的創(chuàng)新可確保激光焊接的有效 穩(wěn)定，而且激光器成本的下降也意