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夫瑯和費激光技術研究所的研究人員正在熔合透明塑料件的激光焊接技術上取得突破。 據這家總部設在德國亞琛的研究團體稱，截至目前，在此類焊接所用的兩個塑料件中，一個必須為透明件，使激光能穿透其中，而另一個部件必須具備輻射吸收能力。也就是說通常情況下不得不把灰粒也混入到塑料件中。 項目經理AlexanderOlowinsky說：“到目前為止，人們通常只能選擇一種塑料組合：那就是透明色和黑色。而在許多應用領域－比如醫療技術－都需要焊接兩種透明塑料件。” 夫瑯和費激光技術研究所的研究人員對各類透明聚合物的吸收光譜展開了研究，確定了可吸收激光輻射的波長范圍。隨后研究團隊開發出了與此類波長匹配的激光系統，還有可聚焦光束確保精準焊接的特殊鏡片。 研究人員現在繼續進行這項由歐委會提供資金支持的PolyBright項目，設法把合適的吸收譜帶和匹配的光源結合起來。 附一： 激光焊接聚丙烯和聚碳酸酯 塑料激光技術在汽車前車燈和尾燈的生產中受到越來越多的應用。輻射法技術專門用于激光塑料焊接中。該技術的主要特點包括：將一種能夠透過激光束波長的材料和一種吸收性材料結合在一起。激光束通過該可穿透的材料聚焦到下面的吸收性配件上，使下面的工件表面熔化。由于熱量傳導，上面的部件也吸收熱量，因此材料間的連接就形成了。焊縫通過激光束和工件之間的相對運動焊接而成。以此方式，焊接過程中使用的壓力確保了配件間更好的熱接觸點，這一點對取得高焊縫強度非常重要。 
LQ復合焊接系統在加工過程中 激光和輻射加熱器成為一體 這項技術同時使用激光輻射（用于初級輻射）和輻射加熱氣熱源（用于二級輻射）作為焊接過程的能量來源（題圖）。與激光束相反，這里使用的輻射加熱器釋放的紅外線波長譜相當寬廣。結果是，當聚焦兩種輻射源在同一焊縫點時，輻射熱的焦點直徑比激光束焦點直徑大得多。通過這個方法，每個焊縫點在激光照射前后都通過輻射加熱器加熱。然而，在激光焊接過程中額外使用輻射加熱器的關鍵原因在于加熱器的吸收特性。不同于激光，當待焊接的配件暴露于輻射熱的環境下，上面的透明部件也因為部分吸收紅外輻射而受熱，與此同時，輻射熱被不透明的配件吸收。 對于焊接過程來說，通過輻射熱直接加熱透明配件有兩大決定性的優勢。首先，上面的部件在兩個配件接受激光輻射時已經預熱。因此，用于從下方配件往上方配件轉移的，需要用于熔化材料形成焊縫的熱流減少了。其次，由于溫度上升，材料的硬度降低，這提高了橋接注塑過程產生的微小不規則的可能性。此過程中，主要是透明配件失去硬度，這樣就更容易去配合下方配件的幾何輪廓。 復合焊接技術的應用 復合激光焊接技術中一個必然的應用領域是新款汽車前車燈的不透水密封焊接。在此領域內的傳統連接方法是使用粘合劑或振動焊接，這些方法常常表現出許多短處。例如，連接處總是通過層壓以遮蓋難看的接縫。圖1為通過復合激光焊接技術連接的汽車尾燈。
圖1. 汽車尾燈的應用實例（燈座：ABS，外殼：PMMA） 燈座由吸收優化的添加了黑色、灰色或紅色顏料的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）樹脂組成。未填充并添加了紅色顏料的聚甲基丙烯酸甲酯用來做透明外殼。總的焊縫長約1,000 mm。這些尾燈表現出非常好的焊縫質量，以及高度統一的機械性質。此外，在整個焊縫長度的熔化中，沒有任何氣泡形成（圖2）。
圖2. 沒有瑕疵的焊接 復合激光焊接結束的加工速度是傳統激光焊接的五倍，并能提供更高的焊縫強度。不考慮吸收性配件的著色，上述車燈可以在僅僅30秒之內完成焊接。 其間，符合激光焊接已經成為了用于汽車尾燈生產公認的連接技術。然而，對于前車燈，這種新的加工方法還沒有發揮出最大潛力，因為此處還有一個材料組合的問題。前車燈大多由聚丙烯燈座和聚碳酸酯外殼做成。由于兩者間很高的化學不相容性，這樣的材料組合無法使用任何焊接工藝進行連接。由于這個原因，迄今為止都使用非常專門的粘合劑將前車燈聚碳酸酯外殼與燈座連接起來。但這種方法也存在缺點，如除了周期時間長之外，連接可靠性差，以及粘合劑的環境相容性等問題。實際上，粘合劑連接早已經成為前車燈系統的薄弱環節。如果產生漏洞，那么整個前車燈單元就需要替換掉。 不相容材料的焊接 由Polyfort LH 400材料做成的燈座現在可以通過激光焊接工藝連接到PC外殼上。 通過對大量的激光焊接以及多種材料樣本的焊縫測試，確認了預料中很好的連接性能（圖3）。這些結果證實了激光焊接工藝特有的高強度及永久性連接特性。而且從過程價值，尤其從周期時間的角度來看，在測試過程中沒有建立起任何局限。有了Polyfort LH 400材料與復合激光焊接技術的結合，可以不再使用粘合劑連接的方法，這種焊接技術能夠為前車燈帶來持久的密封。由于焊縫表現出非常出色的光學特性，它可以被用作全新一代前車燈的設計元素。
圖3. 聚丙烯（等級：Polyfort LH400）與聚碳酸酯的焊接實例 由于Polyfort LH 400也可以與PMMA連接，該材料不僅適用于前車燈，也可以用于尾燈，或者用于電器市場上燈座的一種材料。 附二： 振鏡式激光焊接機可實現快速點焊 相對于傳統方式，振鏡式激光焊接機以高速移動的掃描鏡片代替二維工作臺，配合強大圖形處理功能的專業軟件，實現了程序控制的瞬時多點焊接，有效地提高了生產效率和靈活性。 LWS—300S振鏡掃描激光點焊機是公司引進國外先進技術，在關鍵部件采用優質進口部件生產而成的，焊機使用了掃描鏡組的動態焊接工藝，并采用掃描鏡片的移動代替工件移動或焊接鏡組移動的方式，使振鏡鏡片在掃描鏡頭內將激光光束快速在焊點之間切換，焊點之間的距離越大，工件上的焊點數量越多，優勢越明顯。采用這種技術，焊接時間可以降低60％。因此，一個掃描鏡組工作站可以代替幾個傳統的焊接工作站。 激光焊接機系統組成
圖1 激光焊接機外形 該激光焊接機（如圖1所示）主要由激光器系統、電源系統、振鏡掃描系統、計算機控制系統及冷卻系統五部分組成。 1. 激光器系統 激光器系統主要由激光工作物質、泵浦氙燈、聚光腔及諧振腔組成。振鏡式激光焊接機激光工作物質為YAG棒。主要參數如表1所示。
表1 激光器系統主要參數 2. 電源系統 電源系統主要由主電源、觸發電路、控制電路和保護電路等組成，具有過壓、過流保護裝置，其電源、脈寬和頻率均可調，可以根據需要設置輸出波形，以便于焊接不同材料。該電源操作面板具有電流、脈寬頻率。具體技術指標如表2所示
表2 電源系統技術指標 3. 光路及振鏡掃描系統 （1）光學系統：選用1064nm基于振鏡的高精度反射、聚光系統。 （2）擴束鏡：選用光束反射前多倍擴束組合透鏡。 （3）激光校正：選用0.6328um的He-Ne激光準直系統指示光軸位置，指示光與激光同軸，在加工時可達到尋跡指示的功能，并及時進行精確對位。 （4）高速掃描振鏡：是使激光按照預定軌跡運行的執行機構，它主要由高精度電機、電機驅動板、反射鏡、F-θ透鏡及直流供給電源組成。其中F-θ透鏡為進口配件，焦距f=100 mm（或160mm），工作幅面70mm×70mm（標準）或110mm×110mm（可選配）。 4. 計算機控制系統 計算機控制系統采用專用工業計算機，配置Inter P4處理器，抗干擾的工業主板，中文Windows 2000操作系統。同時，我公司還精心開發了基于Windows界面的專業激光焊接軟件，具備PHOTOSHOP、COREDRAW、AUTOCAD等多種繪圖功能，系統采用標準工業控制卡對激光器和掃描頭進行數據傳輸，速度較傳統方式提高近1倍；且具有個性化的Windows用戶界面設定。 5. 冷卻系統 激光專用冷卻系統是固體激光器中必不可少的輔助裝置。在固體激光器中，輸入脈沖燈中的能量只有很少一部分轉化為激光能量，其余均轉化為熱的形式損耗掉了。經綜合考慮本冷卻系統采用一體化的3P水冷機，溫差在±0.1℃范圍內。 其他配置 該焊接機采用三維電動可調式工作臺，操作方便靈活，定位精度高。X、Y、Z三個方向可實現電動、手動調節，調節范圍200mm×80mm×200mm。連接光纖傳導器和掃描工作臺（如圖2所示）配合使用。
圖2 掃描工作臺 此外，在實際使用中可配備多套夾具以滿足高速的上下料工作。例如，應某公司圓柱型電池極耳的焊接要求，我們推薦了平板式工裝夾具，此方式為固定工件式焊接，在110 mm×110 mm的夾具范圍內安裝多個蓋帽，當夾具運行到工作狀態下，激光在軟件控制下快速掃描完成焊接工作，焊接完后，按下按鈕，夾具自動退出，放上另一套放滿工件的夾具，再運行到工作狀態。 設備優勢 該設備焊接速度快、焊斑小（焦點處光斑直徑僅為0.3mm），焊接熱量少，熱變形小。產品的導光系統通過振鏡的快速移動，使激光的點焊能夠高效穩定地進行。根據焊接材料的不同，可以設定輸出能量波形、進行波形控制，以達到更為理想的焊接效果。焊接機采用工業控制機和進口PLC的雙向控制，使高速度振鏡系統與數控工作臺能夠很好地結合在一起，與傳統的步進電機運動、激光光路固定連續焊接方式相比，焊接效率可提高10倍以上，實現激光在線焊接全自動化。例如，選用原先的硬光路傳輸的激光焊接機焊接極耳（2點），效率為1100個/h；選用振鏡掃描式激光點焊機焊接極耳（多點）能達到2000個/h。焊接速度達到1~20點/s，有效縮短了焊接時間，所以特別適用于手機屏蔽罩、金屬手機或金屬電容器外殼、硬盤、微電機、傳感器等超薄形不銹鋼電路板嵌件的點焊，尤其是圓柱電池極耳的焊接。目前該設備已在天津力神、ATL以及BYD等多個大公司得到使用，效果良好。 |
