热塑性塑料的激光焊接实验研究讲解

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第3卷

第1期

光学与光电技术

OPTICS & OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY

Vol. 3, No. 1 February, 2005

2005 年 2 月

文章编号 1672-3392(2005)01-0018-04

热塑性塑料的激光焊接实验研究

袁晖1 赖建军 2 何云贵 1

（1 华中科技大学激光技术与工程研究院，武汉 430074； 2 华中科技大学光电子工程系，武汉 430074）摘要建立了半导体激光焊接系统，在此系统上进行了热塑性塑料的激光焊接实验，研究了不同颜料有机玻璃材料组合的激光焊接可行性，进行了有机玻璃的激光焊接实验，并对焊接样品的焊接强度进行了测试。关键词塑料；激光；焊接文献标识码A

中图分类号 TG456.7

1 引言

传统的塑料焊接技术有超声波焊接、振动焊接、热平板焊接等，在工业中已得到广泛的应用。近来随着激光技术的发展，采用激光加热源实现塑料焊接的技术在国外得到了重视，已有部分焊接设备投放市场。激光焊接的优点是能生成精密、牢固和密封（不透气和不漏水）的焊缝，而且树脂降解少，产生的碎屑少，由于激光的非接触特性，不会产生污染。另一个优点是激光焊接比采用其它连接方式所产生的振动应力和热应力小，意味着制品或者装置的内部组件的老化速度更慢，因此更适合应用于易损坏的制品如电子传感器或微机电系统（MEMS）[3]。由于成本和材料方面的原因，塑料的激光焊接尚未全面推广，在国内，这方面的研究基本上是空白，塑料的激光加工应用仅限于切割和标记。本文利用半导体激光作为激光局部加热源，研究透射焊接方式实现有机玻璃（PMMA）材料的焊接工艺。同时，利用一种透明吸收材料，实现了两种透明材料之间的焊接，进行了三层塑料基底材料的堆叠焊接实验，为实现塑料部件的堆叠焊接提供了一条途径。

[2] [1]

一起的热塑性塑料，一种对激光透明，另一种在激光波长处具有较高的吸收率。当激光透过透明的塑料加热具有一定吸收率的另一塑料时，产生的热量促使紧密接触的两塑料熔化，由于材料的扩散最终在界面形成瞬时渗透焊缝。这是一种高速、非接触焊接热塑性塑料的方法。焊接过程所需的能量施加于接头区域内很薄的一层。大多数本征塑料能让半导体激光（近红外波段）透过，与之配合的另一塑料，通过添加选择性吸收激光的色素可以转化为能够吸收激光束的塑料。利用透射激光焊接方式， Kagan 等人对以尼龙为主的塑料的激光焊接进行了详尽研究[4]。

force laser beam force

↓

↓

pressure plate fused zone HAZ plastics A plastics B

base

图 1 透射激光焊接原理图 Fig.1 Principle diagram of transmission laser welding 2 透射激光焊接原理和装置

透射激光焊接的原理如图 1 所示。两种紧贴在

基于透射激光焊接原理的半导体激光焊接系统，如图 2 所示。该系统主要由激光光源系统、激光光束变换系统、工件夹持和对准平台、CCD 显微

收稿日期 2004-11-04；修改稿日期 2004-12-24 作者简介袁晖（1979-），男，博士研究生，主要研究方向是激光与物质相互作用。E-mail: jjlai@ 第1期

袁晖等：热塑性塑料的激光焊接实验研究

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成像系统、电控位移台以及微机主控系统等组成。

间的焊接，对于焊接的样品进行了焊接强度的测试。 3.1 材料光学性能对焊接的影响为了检查不同颜色有机玻璃的可焊接特性，利用傅里叶红外光谱仪分别测试了蓝色、红色、白色和无色有机玻璃的透过率曲线（如图 3 所示）同时，考察它们对激光的吸收特性。从图 3 可以看出，红色有机玻璃在激光波长处的透过率与透明有机玻璃相当，而白色与蓝色有机玻璃的透过率很低，黑色有机玻璃则完全不透明。显然，红色有机玻璃直接和透明无色的有机玻璃难以直接焊接，而白色和蓝色有机玻璃则由于透过率都低，也不能直接焊接。

图 2 半导体激光键合实验装置 Fig.2 Experimental system of diode laser bonding of thermoplastics

掺入不同颜料导致的焊接性能的差异可能来源于两个效应：颜料的吸收增强和微粒的散射[5]。但是颜料的本征吸收对激光的透过率的影响较小，主要的吸收因素是微粒的散射。微粒的散射导致扩散反射，也可能引起激光能量密度的降低，从而需要更高的激光功率才能实现焊接。在所有颜色的材料中，黑色有机玻璃在可见光和激光波长处的透过率近似为零，且吸收高，因而最易于激光焊接。

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

从激光器光源系统发出的激光经过光束变换部件形成激光聚焦点光束，然后作用于对准平台上的塑料芯片上。对准平台固定于多轴电控位移台上，提供待焊接工件的固定、对准和接触功能。电控位 y 伺服控制器移台至少拥有 x，两轴位移调整功能。从微机主控系统获得指令，控制位移台的运动。 CCD 显微成像系统提供工件对准、焊接定位和焊接情况的观察途径。工件夹持和对准平台分别由上下工件真空吸附板、接触压力传感器以及手动微移台组成。当上下工件被真空吸附于各自的支撑板后，调整工件之间的距离，使它们几乎接触，同时通过 CCD 显微成像系统观察，调节微移台实现上下工件的对准，然后调整两板的间距，使之接触，接触压力通过压力传感器感知，压力范围在 0～20 MPa 之间。本装置的特点是体积小、结构紧凑、聚焦光斑小。半导体激光器的波长为 808 nm，连续输出功率为 25 W。采用 3.5 倍缩小倍率的光学系统将从 200 μm 光纤芯径出射的激光光斑缩小到 70～ 80 μm。

thickness transparent PMMA:2.5mm colourless bule red white

Transmiss ion（ %）

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Wavelength/μm

图 3 厚度为 2.5 mm 的无色和有色有机玻璃片的光学透过率曲线 Fig.3 Optical