塑料激光焊接技术的优点、基本原理、常用方法及基本工序

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塑料焊接是通过加热使塑料界面软化或熔化，经过一定的压力和时间，高分子分子链通过界面扩散形成链纠缠，最后得到焊点的强度。

按采用的加热方式，塑料焊接方法可分为外加热和内加热。外加热利用热导或对流加热焊接面。内加热是利用工艺在材料内部加热，以替换外部热源，包括电磁加热和机械加热。相比于其他焊接方式，电磁加热法产生的振动力和热应力小，即经过焊接的焊接件更稳定、老化速度更慢，更适合精密仪器或易损坏的制品。

相比于其他焊接方式，电磁加热法中的激光焊接所产生的振动力和热应力小，即经过焊接的焊接件更稳定、老化速度更慢，更适合精密仪器或易损坏的制品如医疗器械或电力电子器件的制造。为此，激光焊接技术以其变形小、热影响区小、焊缝平整美观、老化速度慢以及焊缝精密、牢固和密封的优势，为工业生产中不能一次性加工成型的形状和结构复杂的塑料产品提供了新技术手段。

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塑料激光焊接的优点

目前，国内较为普遍的焊接技术有摩擦焊接、超声波焊接和热气焊接等，同传统的塑料焊接技术相比，塑料激光焊接技术主要有以下几方面的优点：

(1)加热和冷却速度极快，极大地减小了塑料制品的热应力和振动应力。

(2)激光焊接控制简单，属于非接触加工，适应性强，对于结构复杂或焊件微小均有很强的操作性。

(3)随着激光焊接设备的不断升级，其成本进一步下降，性能不断提高，相比于其他焊接设备，具有容易维护、操作方便、支持长期使用等优点。

(4)经过激光焊接的焊件质量好，焊缝牢固、精密、稳定，而且焊接过程中不产生污染，是一种非常环保的焊接技术。

(5)激光焊接，适用性强，能在多种条件下进行焊接而且能保证焊件质量，比如在真空、空气或某种介质的环境中，还可以透过透明塑料对焊件接触面进行焊接。

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塑料激光焊接的基本原理

透过式焊接容易控制，且是应用最广泛的一种焊接方式。透过式焊接方式的原理是：采用不同材质的两种热塑性塑料，一种对激光透明，另一种具有较高的吸收度，二者在低压力下被夹紧在一起，当激光穿过透明的塑料制品，然后被另外一个具有一定吸收度的塑料制品吸收时，吸收激光能量的制品将光能转化为热能，在塑料的接触面熔化，由于材料的扩散作用最终在界面形成一个瞬时焊接区。采用透过焊方式焊接两片塑料样品的示意图如图1所示。

图1 焊接原理图

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常用的激光焊接方法

塑料激光焊接的方法主要有：轮廓焊接、同步焊接、准同步焊接和照射掩膜焊接。

轮廓焊接：沿着焊接区域的轮廓线移动进行焊接；或者将被夹层沿着激光束移动进行焊接。其原理图如图2a所示。灵活性好，高自由度，适用于焊接各种性质复杂的二维或三维焊件。

同步焊接：将多个二极管激光束透射到焊接区域进行焊接。其原理图如图2b所示。加工周期短，热变形量较小，适用于一定规模的批量生产。

准同步焊接：利用反射镜使激光束高速对焊接区域进行焊接。其原理图如图2c所示。灵活性好，自由度较高，适用于简单的平面二维焊接。

掩膜焊接：在激光束和待焊部件之间放入一个模板，使激光束对模板进行精确焊接，使用这种技术可以实现低至10 μm的高精度焊接。掩膜焊接是瑞士Leister公司的专利技术。其原理图如图2d所示。可焊接任何平面几何形状，且精度极高。

a—轮廓焊接；b—同步焊接；c—准同步焊接；d—掩膜焊接

图2　几种常见的焊接方式

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塑料激光焊接的基本工序

塑料激光透射焊接技术的基本工作过程为：

(1)将一个透光的塑料焊件和一个吸光或添加了吸收剂的塑料焊件叠放在一起，利用夹具并施一定的压力使两个焊件接触面充分接触；

(2)控制一束激光依次穿过透光焊件和吸收焊件，使得激光穿过透光焊件，到达吸光焊件；

(3)通过振镜控制激光的运动轨迹和速度，使激光按照预先设定的轨迹和速度照射焊件接触面；

(4)接触面下方的吸光焊件吸收激光能量并产生热量，经过热传导作用使得焊接接触面熔化，在夹具压力下，熔融状态下的塑料充分混合；

(5)关闭激光，熔融状态下的焊接接触面随着激光能量的减少逐渐冷却，形成牢固的焊缝，焊件紧紧连接在一起。

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