快速發(fā)展的激光焊接技術(shù)

   激光焊接塑料的基本原理是，通過(guò)夾具施壓將兩個(gè)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(jìn)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(rèn)識(shí)到應(yīng)用激光焊接技術(shù)來(lái)焊接熱塑性材料卻經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程。在新材料、新設(shè)備和新技術(shù)工藝層出不窮的時(shí)代，現(xiàn)在的生產(chǎn)者不僅要了解激光焊接的特性、優(yōu)點(diǎn)和要求，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到此領(lǐng)域的諸多創(chuàng)新和未來(lái)趨勢(shì)，這樣才能把握技術(shù)流行趨勢(shì)，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(yīng)激光焊接技術(shù)，材料供應(yīng)商在熱塑性材料方面已取得一些重大進(jìn)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(shí)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(jìn)展。生產(chǎn)者幾乎可以設(shè)計(jì)任何顏色，而且能同時(shí)滿足激光焊接的要求，并保證工藝的穩(wěn)定性。
    除了顏色，材料技術(shù)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(duì)其進(jìn)行激光焊接時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致材料對(duì)近紅外光的透光率不足�，F(xiàn)在，很多材料供應(yīng)商都開發(fā)出了新型的無(wú)氯阻燃劑，很好地解決了這一問(wèn)題，從而成功地滿足了激光焊接的要求。
工藝和設(shè)備技術(shù)
    早些年，激光焊接技術(shù)即使是焊接很小的電子器件外殼，也需要很大的機(jī)器，同時(shí)需要復(fù)雜的外部冷卻系統(tǒng)，因此需要占用很大的工廠空間，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致較高的投資費(fèi)用，而且那時(shí)的焊接設(shè)備習(xí)慣使用Nd：YAG固態(tài)激光器。雖然后來(lái)二極管激光器的成功應(yīng)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(shí)間通常不足3000h，仍然無(wú)法和固態(tài)激光器競(jìng)爭(zhēng)。隨著新型的二極激光器的研制成功，它們幾乎都是免維護(hù)的，而且預(yù)期壽命可高達(dá)20000h，因此成功地替代了固態(tài)激光器成為廠商的首選。現(xiàn)在的激光焊接系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可處理最大240mm×240mm的工件，而且聚焦直徑小于1.5mm。此外，還可選用各種過(guò)程監(jiān)測(cè)手段。
    看到二極管激光技術(shù)的巨大應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景，供應(yīng)商們不斷加大研發(fā)力度，許多新技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。例如，二極管激光光纖耦合技術(shù)以及使用工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行激光焊接等，其中，二極管激光光纖耦合技術(shù)即使更換激光源后仍可保證激光光束的均一性。
    隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光焊接能夠很容易地利用工藝和設(shè)備的優(yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)該技術(shù)與常規(guī)方法在設(shè)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(shù)獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。
    作為激光焊接應(yīng)用的領(lǐng)航者，汽車行業(yè)的巨大發(fā)展也再次驗(yàn)證了激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。以傳感器外殼為例（如圖1所示），激光焊接技術(shù)在汽車領(lǐng)域已有數(shù)年應(yīng)用。目前，任何新模塊的設(shè)計(jì)從一開始就是為了適應(yīng)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(huì)對(duì)電子部件產(chǎn)生明顯的機(jī)械應(yīng)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(xì)準(zhǔn)確。另外，激光焊接的經(jīng)濟(jì)性也緩解了汽車行業(yè)所面臨的降低費(fèi)用的極大壓力。激光焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的成功應(yīng)用完全能夠證明這一點(diǎn)。

圖1 汽車傳感器

未來(lái)趨勢(shì)
    關(guān)于器件尺寸，市場(chǎng)有兩種相反的趨勢(shì)：一方面，器件越來(lái)越小，且焊縫復(fù)雜；另一方面，器件更大，且是三維的。而激光焊接設(shè)備的不斷發(fā)展，可同時(shí)滿足這兩種要求。
    目前，醫(yī)學(xué)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(shù)能夠在最小的空間同時(shí)集成數(shù)種功能器件。采用其他方法焊接毛細(xì)微流結(jié)構(gòu)（如圖2所示）十分困難，或者根本就不可能，而現(xiàn)在，即使當(dāng)今廉價(jià)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(huì)選擇容易聚焦的Nd：YAG激光器，但該技術(shù)成本非常昂貴，且技術(shù)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(shù)不僅能夠滿足0.1mm的焊縫寬度，且不受焊縫形狀和腔室大小的限制。

圖2 微流體結(jié)構(gòu)：焊縫寬度小于0.5mm，長(zhǎng)度約2m

    如果減小光纖內(nèi)徑，在實(shí)現(xiàn)高速焊接的同時(shí)，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(yīng)器件尺寸的變化趨勢(shì)， LPKF公司（樂(lè)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(dá)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(kuò)大為370mm×370mm，且焊縫寬度小于2mm。目前，該技術(shù)已應(yīng)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(yīng)用處理存在一定的局限性，像汽車尾燈這樣的復(fù)雜三維部件由于側(cè)凹或逆向的光束角會(huì)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(duì)工件的要求非常嚴(yán)格，且焊接周期長(zhǎng)，也限制了其在這方面的應(yīng)用。
    LPKF公司發(fā)明了一種復(fù)合焊接方法，彌補(bǔ)了輪廓焊接的許多不足，在焊接三維大件產(chǎn)品時(shí)具有極大的優(yōu)勢(shì)。該方法利用可彎曲的柔性機(jī)械手來(lái)引導(dǎo)激光，而夾具所需壓力來(lái)自焊接頭。采用的滾輪可產(chǎn)生很大的壓力而不會(huì)使工件產(chǎn)生壓痕，而且它對(duì)污垢不敏感。更重要的是，該技術(shù)將激光和具有較寬光譜的氯素?zé)粢黄鹗褂�，氯素�(zé)糁苯訉?duì)上面的工件進(jìn)行加熱，同時(shí)吸收從下面工件傳來(lái)的熱量，形成對(duì)工件的整體加熱，這樣相對(duì)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，也可較早得到處理，進(jìn)而保證更高更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，并同時(shí)縮短了焊接時(shí)間。由于增添了氯素?zé)簦�有效降低了所需激光的功率，相�?yīng)降低了成本費(fèi)用。另外，應(yīng)用復(fù)合焊接時(shí)，工件的內(nèi)在殘余應(yīng)力很小，后續(xù)的回火處理可大大簡(jiǎn)化甚至不再必要，這對(duì)于非結(jié)晶熱塑材料具有極大的好處。復(fù)合焊接設(shè)備如圖4所示。

圖4 LPKF復(fù)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(shù)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(xué)導(dǎo)管用的薄片材料等，擴(kuò)大了激光焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍�，F(xiàn)在，甚至可以利用激光吸收劑或涂料來(lái)實(shí)現(xiàn)非結(jié)晶塑料的清潔焊接，簡(jiǎn)單而又可靠。其他激光源，如CO2激光器的出現(xiàn)為激光焊接技術(shù)提供了新的契機(jī)，因?yàn)槠溟L(zhǎng)波光可被任何透明塑料吸收。
    從經(jīng)濟(jì)性角度看，二極管激光和工藝技術(shù)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味著投資成本的降低。更重要的是，通過(guò)不斷延長(zhǎng)維護(hù)間隔和設(shè)備的使用壽命，進(jìn)一步提高了機(jī)器的工作時(shí)間。
結(jié)論
    激光復(fù)合焊接技術(shù)雖然比較新，但具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在某些方面甚至可取代常規(guī)焊接技術(shù)。同時(shí)，器件急劇小型化和復(fù)雜三維化的發(fā)展趨勢(shì)也表明，激光復(fù)合焊接技術(shù)具有適合未來(lái)應(yīng)用發(fā)展的極大潛力