快速发展的激光焊接技术

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激光焊接塑料的基本原理是，通过夹具施压将两个工件叠加在一起，再向上面的工件射入激光，使激光能够穿透该工件并被下面的工件吸收。吸收的激光光能转化为热能，进而使两工件的接触面熔化，最终形成焊接区。然而，人们真正认识到应用激光焊接技术来焊接热塑性材料却经历了相当长的过程。在新材料、新设备和新技术工艺层出不穷的时代，现在的生产者不仅要了解激光焊接的特性、优点和要求，还应认识到此领域的诸多创新和未来趋势，这样才能把握技术流行趋势，始终处于科技的最前沿。 材料的发展 为了能够更好地适应激光焊接技术，材料供应商在热塑性材料方面已取得一些重大进展。大约3年前，几乎所有的单一自然材料在添加碳黑后，都可以获得很好的激光焊接质量，但那时吸收剂的颜色只能是黑色。现在，这方面已经有了很大的进展。生产者几乎可以设计任何颜色，而且能同时满足激光焊接的要求，并保证工艺的稳定性。 除了颜色，材料技术的创新也打破了激光焊接原有的一些限制。例如，热塑性材料最初使用的阻燃剂都是磷化阻燃剂，对其进行激光焊接时往往会导致材料对近红外光的透光率不足。现在，很多材料供应商都开发出了新型的无氯阻燃剂，很好地解决了这一问题，从而成功地满足了激光焊接的要求。 工艺和设备技术 早些年，激光焊接技术即使是焊接很小的电子器件外壳，也需要很大的机器，同时需要复杂的外部冷却系统，因此需要占用很大的工厂空间，这无疑会导致较高的投资费用，而且那时的焊接设备习惯使用Nd：YAG固态激光器。虽然后来二极管激光器的成功应用逐渐取代了这种固态激光器，但这些二极管激光器的质保时间通常不足3000h，仍然无法和固态激光器竞争。随着新型的二极激光器的研制成功，它们几乎都是免维护的，而且预期寿命可高达20000h，因此成功地替代了固态激光器成为厂商的首选。现在的激光焊接系统其结构简洁紧凑，标准的系统可处理最大240mm×240mm的工件，而且聚焦直径小于1.5mm。此外，还可选用各种过程监测手段。 看到二极管激光技术的巨大应用潜力和广阔的应用前景，供应商们不断加大研发力度，许多新技术由此应运而生。例如，二极管激光光纤耦合技术以及使用工业机械手进行激光焊接等，其中，二极管激光光纤耦合技术即使更换激光源后仍可保证激光光束的均一性。 随着技术的进步，激光焊接能够很容易地利用工艺和设备的优势来弥补该技术与常规方法在设备成本上的差距。因此，成本因素已经不再是限制激光焊接技术获得广泛应用的主要原因。 作为激光焊接应用的领航者，汽车行业的巨大发展也再次验证了激光焊接技术的优势所在。以传感器外壳为例（如图1所示），激光焊接技术在汽车领域已有数年应用。目前，任何新模块的设计从一开始就是为了适应其变化。在敏感电子封装方面，采用常规的焊接方法往往会对电子部件产生明显的机械应力和高温影响，而激光焊接则能够按需控制和调整焊接能量，从而保证了焊接质量的精细准确。另外，激光焊接的经济性也缓解了汽车行业所面临的降低费用的极大压力。激光焊接技术在汽车行业的成功应用完全能够证明这一点。 + [2 E9 i$ R0 E, T 图1 汽车传感器 未来趋势 关于器件尺寸，市场有两种相反的趋势：一方面，器件越来越小，且焊缝复杂；另一方面，器件更大，且是三维的。而激光焊接设备的不断发展，可同时满足这两种要求。 目前，医学诊断产品持续向小型化方向发展，这就要求焊接技术能够在最小的空间同时集成数种功能器件。采用其他方法焊接毛细微流结构（如图2所示）十分困难，或者根本就不可能，而现在，即使当今廉价的电镜扫描激光系统都可以焊接这种产品。以前，人们会选择容易聚焦的Nd：YAG激光器，但该技术成本非常昂贵，且技术不够灵活。相比之下，光纤激光或光纤耦合二极管激光焊接技术不仅能够满足0.1mm的焊缝宽度，且不受焊缝形状和腔室大小的限制。 ; Q, i* |3 o4 k2 K# S$ J. T 图2 微流体结构：焊缝宽度小于0.5mm，长度约2m 3 S/ z; p; c* R* P 如果减小光纤内径，在实现高速焊接的同时，电镜扫描激光系统也可焊接较小的焊缝或较大的焊接面积。为了适应器件尺寸的变化趋势， LPKF公司（乐普科光电公司）已开发出了适合三维焊接的电镜扫描焊接系统（如图3所示），该系统的焦深变化高达80mm，这样配合使用二极管激光器，可使焊接工件的焊接面积扩大为370mm×370mm，且焊缝宽度小于2mm。目前，该技术已应用于焊接引擎舱或汽车内饰等大型三维汽车部件。 7 s7 L! W& V# Q# g; r4 B2 ]" t 图3 LPKF电镜扫描焊接系统 + S0 f5 D/ z* @& Q 但是，电镜扫描系统的应用处理存在一定的局限性，像汽车尾灯这样的复杂三维部件由于侧凹或逆向的光束角会阻碍激光的照射，因此必须选择轮廓焊接方法。而轮廓焊接对工件的要求非常严格，且焊接周期长，也限制了其在这方面的应用。 LPKF公司发明了一种复合焊接方法，弥补了轮廓焊接的许多不足，在焊接三维大件产品时具有极大的优势。该方法利用可弯曲的柔性机械手来引导激光，而夹具所需压力来自焊接头。采用的滚轮可产生很大的压力而不会使工件产生压痕，而且它对污垢不敏感。更重要的是，该技术将激光和具有较宽光谱的氯素灯一起使用，氯素灯直接对上面的工件进行加热，同时吸收从下面工件传来的热量，形成对工件的整体加热，这样相对于常规的焊接方法，工件焊接面的热传递更均匀，而且降低了上面工件的硬度，若存在间隙误差，也可较早得到处理，进而保证更高更稳定的焊接质量，并同时缩短了焊接时间。由于增添了氯素灯，有效降低了所需激光的功率，相应降低了成本费用。另外，应用复合焊接时，工件的内在残余应力很小，后续的回火处理可大大简化甚至不再必要，这对于非结晶热塑材料具有极大的好处。复合焊接设备如图4所示。 k' U" y0 N: F( \# s0 u. i , ^+ P0 `* T4 A8 K 图4 LPKF复合焊接系统 ; i4 J1 }; Z9 J3 B; F& G 除了器件焊缝方面的创新，还出现了很多新材料的组合方法，激光焊接技术也不再局限于硬/硬材料的组合方式。新的激光焊接材料层出不穷，包括热塑布料、热塑弹性体以及包装和医学导管用的薄片材料等，扩大了激光焊接技术的应用范围。现在，甚至可以利用激光吸收剂或涂料来实现非结晶塑料的清洁焊接，简单而又可靠。其他激光源，如CO2激光器的出现为激光焊接技术提供了新的契机，因为其长波光可被任何透明塑料吸收。 从经济性角度看，二极管激光和工艺技术的创新可确保激光焊接的有效稳定，而且激光器成本的下降也意味着投资成本的降低。更重要的是，通过不断延长维护间隔和设备的使用寿命，进一步提高了机器的工作时间。 结论 激光复合焊接技术虽然比较新，但具有独特的优势，在某些方面甚至可取代常规焊接技术。同时，器件急剧小型化和复杂三维化的发展趋势也表明，激光复合焊接技术具有适合未来应用发展的极大潜力。

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