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迎接激光焊接时代

激光焊接作为焊接灵敏部件（如内有电路板的部件）、几何形状复杂的部件或者清洁度要求极其严格的部件（医疗器具）的一种专用方法已得到认可，激光设备和塑料材料的发展正在激发人们更多的兴趣。

激光长期以来应用于金属焊接，近期它突入到塑料的切割与标识。然而，由于缺乏合适的设备、能焊接的聚合物和色彩的限定以及对该技术潜力的有限认识，直到现在塑料激光焊接仍然滞后。

激光焊接的显著特征在于它能够产生一个精确、结实、气密（气密封和水密封）的焊缝，同时又能减少树脂、粒子降解，并在零件焊缝表面周围进行接合。最近几年来，这种不接触焊接技术吸引了许多焊接精确、高价值制品的欧洲公司。

在美国，激光焊接似乎能够发展成为一种在焊接成本和焊接性能上取代已被认可的超声波、振动和热板焊接等技术的焊接方法。然而，人们对它的陌生感仍然严重地阻碍着激光焊接的更加广阔的应用。

新激光设备正在减少那些障碍，不仅如此，创新性材料和添加剂使得激光焊接能够在该技术曾不可及的彩色零件上实现其可行性。现在，着色新技术也使黑色—黑色和亮色—亮色材料的激光焊接成为可能，而且材料供应商正在根据现有的配方改进材料的激光透射率或吸收性。

干净、温和、多功能

当两种材料对激光的反应差异很大时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、焊接熔融区、夹持压力、吸收NIR零件。

该方法运用波长在810～1064祄的近红外线（NIR）。它穿过一个透射NIR的部件，然后被另一个吸收N成都IR的部件吸收，这两个部件在低压状态下被夹在一起。吸收NIR的材料将NIR转化成热，部件表面熔化，而热量同时传回到激光透过部件的接合面上形成一个焊接区域。这时的焊接力超过了原材料的焊接力。

德国Branson公司最近在其超声波、热板、振动和旋转焊接设备厂房中又添加了一套激光焊接系统。激光焊接的无碎屑特性使其在医疗器械、汽车及其他电子部件等领域深受喜爱。

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.

激光焊接也能大大减少部件的振动及部件上的热应力。这种方法与其他焊接方法相比，“振动和烧焦”少，因此部件或组件内部零部件所产生的降解也相应减少。这个特点为激光焊接电子传感器等脆弱部件打开了大门。

Leister公司的总经理Jerry Zybko补充说：“大量不同的材料都能用激光焊接。例如用透过NIR将聚碳酸酯焊接到30%玻璃填充的黑色PBT上”。Zybko指出，其他焊接方法无法焊接聚合物结构、软化点及补强材料差异如此巨大的材料。激光焊接适合于焊接轮廓复杂（甚至是三维）的部件，也适合于焊接那些用其他焊接方法无法焊接的地方。

激光技术的成熟性，有助于扩展其在塑料焊接中的作用。二极管和Nd：YAG类激光自从20世纪90年代中期就得到进展，极好地应用于激光焊接中。这些激光的能量已得到大大地增加，其成本与过去5年相比也下降了90%左右。已发现有多种塑料可以有效地透射在或接近二极管极光波段（810～940祄）和Nd：YAG极光波段（1064祄）的激光。（CO2激光器发射的波长容易被塑料所吸收而烧毁制品。）

二极光与Nd：YAG激光在用于塑料焊接时被证明还有很多功能。比如，二极管激光在做复杂线条焊缝时可以组态成几排光束，而且二极管发射器可以欧阳明称装在储存箱体里为特殊应用提供所需的焊接能量。

定制的塑料激光焊接设备

Leister公司的Novolas新产品系列就是这类新式设备的一个例子。该系列产品使用了高能量的二极管激光，每个二极管至少有25W的功率。Novolas C是一种曲线式或点式焊机，它可产生一种靠光学设备定型、聚焦的激光能曲线点。这种曲线点固定不动，而激光下的部件放在一个程控的、伺服驱动的X-Y轴上接受瞄准，以便激光点可以穿过整个焊缝线。（也能用移动激光点来代替移动零件）Novolas C焊接的最大区域为250×250mm。曲线焊接按照物体的几何形状工作非常灵活，但是这种方法相对较慢。

Leister's mask welding technique adds versatility by permitting complex and variable weld cross-sections.

有一种比较快的方法叫“同步”焊接法,其激光束可用平行直线或曲线对准,所以它能够完全暴露出整个焊缝，既不用移动光束,也不用移动零件。Leister公司的S型产品使用的便是这种方法。

同步焊接尽管速度快，但要受到焊接几何形状方面的限制。但是，Leister公司同步焊接法的衍生物——Novolas M（护层）新方法能够克服这些局限。Leister公司使用了照相所采用的传统胶片，固定不动的激光束可将物体上没被胶片层覆盖的那部分加热。其优点是，诸如圆形或圆锥型的复杂焊接几何形体可用这种方法焊接。护层焊保护元件接方法同样也能做出0.1mm的微小焊缝，而且焊缝的宽度也没必要一致。据说Novolas M产品非常适合于医疗设施的微型焊接，它的自动掩模对准分辨率可达2微米。

同步焊接和护层焊接的初始调整工作要比曲线焊接花费的时间长，但据说同步焊接在大规模生产中的成本比较低。Bielomatik公司采用的是称为“拟同步”的焊接方法,使用了70～250W的固态Nd：YAG激光。QSLW运用高速扫描反光镜,每秒种将激光光速来回在焊缝上扫描40多次。据报道，Bielomatik公司的产品能够创造出0.1mm精细的焊缝。

BielomaU型接头tik公司的Laser-Tec QSLW装置已在欧洲交付或订购了20套，另外30套全球项目处于前期计划阶段。目前的一种用途是用于Mercedes交通工具电子车门开门器。其他的应用有：汽车进气管的发动机驱动机构、中央锁系统、汽车齿轮箱、气囊、油路及其引擎集成传感器。

最近，Bielomatik公司组合制成复杂Laser-Tec装置，用来增加焊接面积和零件的最大尺寸。双激光式设备焊接的面积可达560 ×280mm，能够焊接汽车驾驶室、压力容器和大型传感器。

Clear-to-clear laser welding is just now becoming feasible with Gentex's Clearweld technology.

Branson公司是激光焊接领域的新成员，其红外线组装方法（IRAM）焊接设备的同步式（S）焊接法正在美国接受评审。今年年中将推出曲线式（C）焊接设备。Branson公司的Rooney说：“我们的产品能量更大、成本相对较低。”他解释说，其IRAM设备运用的是二极管系列激光，功率可增加到150W。这些装置的功率有小规模是150~450W；中等规模的是600~900W；大规模的是900~1350W。

英国Herfurth Laser Technologies公司给欧洲最终用户提供了5套定制设备，用以焊接汽车内饰件、保险杠以及医疗器械。公司总经理Richard Icke指出，多数设备都使用了由光纤收集、分配的低能量族类二极管。比较起来，Herfurth公司更提倡使用操作能力达到250~1000W的高能量二极管，能量直接聚集在5×1mm的焊接区域内。

Icke声称：“高能量二极管所做的焊接强度很高，可将PP和玻璃增强乙缩醛等难以焊接的不同材料焊在一起。”Herfuarth公司也使用了一个自动装置来控制激光光裸石束。焊接PP零件所做的5mm宽焊缝的速度是167mm/秒。

Herfurth公司说，其高能量激光可以焊接通常被认为是低透过率、难以焊接的材料和色料。Icke列举了几个例子：汽车油路上的30%玻璃填充乙缩醛部件和汽车加速踏板传感器用的黑色尼龙67结果的计算:和黑色尼龙66部件。Herfuth公司的设备也能用于在医疗液体输送系统的管子和接头上激光焊接聚酯和PP薄膜的应用中。

拓展激光的使用范围

为了响应在激同时光焊接方面日益增长的需求，居于领先地位的材料供货商都在研究他们的材料在激光焊接过程中的使用情况。在吸收NIR材料方面，Dupont和Ticona公司都报道说，普通碳黑可为多数热塑性塑料提供良好的吸收NIR能力。NIR透过率在20~50%的聚合物通常情况下都表现良好。也就是说，多数普通级和半透明彩色级材料都可应用激光焊接。PS、PVC和PP材料是令人满足的NIR传送器，尽管PP材料的焊接速度相对较慢。

Dupont公司的技术专家Craig Norrey说，该公司的尼龙66（88%的透过率）、乙缩醛（45%）、尼龙6（18%）和Hytel共聚酯TPE（28~35%）的NIR透过率很高。另一方面，有30%玻璃填充PET（5~6%）和LCP（1~2%）的低透过率使得这些材料不太适合于激光焊接。

Complex automotive cockpit assemblies are being laser welded in Europe. (Photo: Bielomatik)

Ticona公司的资料表明，非填充乙缩醛（50%透过率）、PBT（30%）、玻璃增强PP（29%）能够满足透过NIR的聚合物标准。然而，该公司的PPS（6~12%）和LCP（7%）缺乏合适的透过率。Ticona公司有消息报道说，他们已找到了加强PBT和乙缩醛NIR透过率的特殊方法，最终能加快焊接，减少激光焊接中所发生的降解。

激光焊接的材料单上尚有许多空白，如PPS、PEEK、及LCP等高性能聚合物不能用做IR透过材料。另一个缺点是以碳黑作焊条的黑色—黑色材料组合无法用激光进行焊接，阻碍了激光焊接技术在汽车内部零部件和全黑色零部件中的广泛应用。

对于亮色-亮色（通常为全半透明和全白色）材料的焊接而言，由于两种材料都不能吸收NIR，因此也不能应用激光焊接，这对于透明度要求较高的医疗器械、包装以及日用品的焊接来说也是一种不利因素。

最后一点，许多矿物质填充的复合材料可以吸收NIR，但通常能够使透过的NIR失真，这样就削弱了焊接的效果。但是材料供货商针对这种局限性通常已配置好了配方。

最近， 许多材料供应商推出了克服上述种种缺点的激光透明碳黑配方利用工业 机器人 近200个。比如，BASF公司有两种激光透明碳黑：Ultramid（用于尼龙66）、和Ultradur B 4300G 6 LT（用于PBT）。

这些像碳黑一样的新颖染料，透过NIR的能力足可用于黑色-黑色材料的焊接。它应用在DaimlerChrysler车的一个油传感器。激光焊接在部件上形成的焊缝可以承受一侧是冷冻水而另一侧是300 F油所产生的热冲击力。部件还必须经受得住摇动冲击和振动。

Dupont公司的一种黑色乙缩醛的透光率有38%，可用于激光焊接。该公司也有一种NIR透光率为25~55%、含30%玻璃的黑色尼龙6。

RTP公司说他们开发玻纤、色料及其他添加剂的合金和专利材料，用来优化可适合激光焊接的ABS、SAN、PP和其他树脂的NIR透射率和吸收率。

来自Gentex Corp公司的新技术承诺通过消除对碳黑吸收NIR的依赖来扩大激光焊接的色谱。Gretex公司光处理部的市场开发经理L. P. Frieder宣称：“该项技术为不同颜色的透明、浅色、甚至是不透明部件的有效的激光焊接开辟了一条道路。”他解释说，Clearweld材料可以是无色的，但仍能吸收多数工业化二极管激光器发射出的940~1000祄激光。(end)