在汽車工業(yè)中，塑料的使用日益增加。同樣的，材料和元部件的整合意味著塑料的焊接方法日漸成為一項關(guān)鍵的技術(shù)。 已有的技術(shù)如超聲波焊接，熱板焊，以及粘合技術(shù)各有所長，但是這些技術(shù)存在不少局限性，如在加工過程，可焊接材料方面有限制，費(fèi)用昂貴，或是需要使用專門工具。然而，針對這些技術(shù)的限制，出現(xiàn)了一種新型技術(shù)。高功率二極管激光器的商業(yè)化和傳輸焊接技術(shù)的發(fā)展從根本上改善塑料焊接的能力，它已發(fā)展到有可能促使激光焊接成為塑料加工的關(guān)鍵加工技術(shù)。 高功率二極管激光器 高功率二極管激光器是基于固態(tài)技術(shù)而發(fā)展起來的，因此，它們可靠性好，典型的最少設(shè)計使用壽命在10,000工作時左右。它們也對已有的激光器類型帶來了進(jìn)一步的顯著改善，在結(jié)構(gòu)緊湊性，光束尺寸，電光效率以及資本和運(yùn)行費(fèi)用方面。 例如，250W的激光頭裝置尺寸僅260×125 x 125mm，重5 kg。輔助設(shè)備僅有一個小的控制面板和一個冷卻裝置。組合控制系統(tǒng)與冷卻裝置的系統(tǒng)也可用。激光頭緊湊的結(jié)構(gòu)使它可以被直接安裝到機(jī)械手上，從而具有多軸加工能力。如果需要的話，光束也可以通過光纜來傳輸。 二極管激光器的電光效率大于30%，相比于CO2和Nd:YAG激光器，各自的效率值分別為10%和4%。 目前現(xiàn)有的高功率二極管激光器輸出功率大于6KW，這樣的強(qiáng)度足以滿足熔覆，焊接，以及金屬的表面熱處理。然而，在汽車工業(yè)方面，激光焊接初始應(yīng)用是在連接聚合物方面。雖然熱塑性塑料易于吸收遠(yuǎn)紅外波段的輻射能，但是對于二極管激光器產(chǎn)生的近紅外光卻是透光的。大部分能量不被聚合物吸收。然而，可以通過有選擇的加入添加劑如色素，填充劑，強(qiáng)化劑等來使塑料吸收激光能量。 傳輸焊接 傳輸焊接技術(shù)利用了聚合物和添加劑的不同吸收和傳輸特性，采用了具有某種重疊的形態(tài)來實現(xiàn)焊接。通過仔細(xì)的選擇材料和添加劑，使得接點的上半部分可以透射激光而下半部分則被設(shè)計成可以吸收足夠的激光能量，這樣使得界面熔融，從而實現(xiàn)焊接目的。在這方面的應(yīng)用中，碳是很理想的添加劑，因為它易于吸收二極管激光器的能量。 激光傳輸焊接與現(xiàn)有的塑料焊接技術(shù)相比具有許多的優(yōu)勢。與振動/超聲焊接不同，激光傳輸焊接是非接觸加工，這樣比較不容易對敏感元件，比如含有電子線路的元件，造成損壞。此外，它幾乎不需要什么專門工具，而大部分振動/超聲，熱板焊接系統(tǒng)都需要許多專門的工具來對元件進(jìn)行加工。 在激光加工過程中的關(guān)鍵因素包括：選擇加入聚合物的添加劑，（即色素、增強(qiáng)劑、加工輔助劑），接縫設(shè)計，加工通路設(shè)計等。 英國Warwick Laser Systems公司（考文垂市）已研制出了一種塑料的激光傳輸焊接裝置并且實現(xiàn)了商品化。對一系列熱塑性塑料的適用性評估已經(jīng)確定了許多材料的焊接條件，這些材料包括了彩色材料，聚丙烯，聚乙烯，丙烯酸樹脂，聚碳酸酯，玻璃填料和薄膜材料。 作為非接觸技術(shù)，激光焊接避免了與其他傳統(tǒng)技術(shù)有關(guān)的工具污染和產(chǎn)品放置的問題。從二極管激光器系統(tǒng)射出的光束是高度可控的，而且輸出穩(wěn)定且可預(yù)先設(shè)定，并允許進(jìn)行連續(xù)焊接。激光器功率高，光束寬，因此可以進(jìn)行大面積的焊接，事實上對于元件尺寸和結(jié)構(gòu)沒有任何限制。而如果需要的話，光束的高度可控性和光束傳輸?shù)臏?zhǔn)確性也能夠確保十分精密的焊接操作。 汽車應(yīng)用 在食品包裝，醫(yī)療設(shè)備，和科研設(shè)備等領(lǐng)域中都已很好的利用了激光傳輸焊接技術(shù)，而汽車工業(yè)仍是這項技術(shù)最主要的采用領(lǐng)域。 最近，英國Birkby's Plastics公司（西約克郡，利弗西奇）利用激光傳輸焊接技術(shù)來制造一種新型電控節(jié)氣門（ETC）踏板用于機(jī)動車輛。踏板如圖1，它被制成玻璃填充尼龍模具，在汽車工業(yè)的用途很廣。 圖1：電控節(jié)氣門踏板新的ETC踏板特點是使用整合而非栓接的傳感器，這使得它與其他踏板相比，具有集成，經(jīng)濟(jì)，且不易損壞特性。當(dāng)駕駛員踩踏板時，需求信號被傳送到引擎控制系統(tǒng)，將它與點火圖相比，可使燃料更精確地加到引擎中，保持高的燃燒效率，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)，性能的優(yōu)化，和廢氣排放少的目的。 要將傳感器整合在踏板里最重要的是將“電位計”精確焊接在正確位置。由于電位計需要被準(zhǔn)確的放置并且調(diào)零，所以若使用振動焊接技術(shù)在兩個不同的塑料元件之間進(jìn)行焊接是不現(xiàn)實的。此外，因為使用的電位計和踏板用了兩種不同級別的玻璃填充尼龍，它們的熔點不同，所以也無法使用熱技術(shù)或者超聲焊接技術(shù)來連接這兩個元件。 Warwick Laser Systems公司的開發(fā)中心在成功的進(jìn)行多次實驗后，將二極管激光傳輸焊接系統(tǒng)直接合并到Birkby公司特意建立的自動組裝，焊接和測試生產(chǎn)線，來焊接電控節(jié)氣門踏板組件中的兩個玻璃填充尼龍元件（圖2）。該系統(tǒng)產(chǎn)生3mm寬的接縫并將電位計密封在踏板里。 圖2：ETC激光焊接單元在這種情況下，激光器被安裝在德國Kuka的機(jī)械手上，無需任何專門工具。對該部件采用機(jī)械手操作的好處在于實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。由于要求焊接在元件的兩邊進(jìn)行，在這種情況下，機(jī)械手是最高效的選擇。 有重復(fù)的元件的話就需要使用夾具，并且對程序進(jìn)行改動。機(jī)械手的程序可被存儲起來，從而減少了停工時間。 激光器的輸出功率可以利用功率計定期監(jiān)視。由于機(jī)械手的工作區(qū)域很大，因此可以將功率計安裝于任何方便的地方。用一個簡單的程序便可以在生產(chǎn)了若干個數(shù)的零件后進(jìn)行一次測量。 在這個工作單元內(nèi)建立材料測試平臺的計劃正在進(jìn)行中，該平臺可以安置在工作區(qū)外90° 到 180°之間的任何區(qū)域。優(yōu)勢在于，激光器，機(jī)械手以及安全費(fèi)用都已經(jīng)核算過了。這樣，只需考慮固定夾具和機(jī)械手程序了。 這項技術(shù)的另一個應(yīng)用例子是為英國Pall Automotive Division公司（樸次茅斯）焊接永久密封的燃料過濾器外殼。該外殼使用的材料是乙酰樹脂，壁厚2mm。事實上，外殼是圓環(huán)筒形的，因此它需要從外邊緣和內(nèi)邊緣進(jìn)行對接焊接（圖3） 。在焊接以前，殼內(nèi)的過濾介質(zhì)被壓縮在箱體中，由于阻尼效應(yīng)，無法使用振動焊接技術(shù)。外殼最小的爆裂壓強(qiáng)是12巴，安全工作壓強(qiáng)是6巴。 圖3：過濾器焊接位置的截面示意圖雖然已經(jīng)成功的通過了汽車工業(yè)測試規(guī)范，但是過濾器的爆裂壓強(qiáng)被認(rèn)為是焊接強(qiáng)度的決定性測試，因為這是焊縫最終損壞的模式。使用一個手動的液壓缸用來給過濾器加壓，壓力傳感器用來測壓強(qiáng)。過濾器被裝滿了油，而且被密封。不停的給液壓缸加壓直到過濾器的工作壓強(qiáng)12巴。保持這個壓強(qiáng)幾秒鐘，有任何壓強(qiáng)的下降則可能表明產(chǎn)生裂縫。然后繼續(xù)加壓直至過濾器最終破裂。破裂壓強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)值>30巴。圖4給出了破裂后的情形。注意到材料是在與焊縫成~60°的地方發(fā)生破裂，而不是沿著焊縫。 圖4：過濾器在34巴壓強(qiáng)下爆裂后的情況在Pall的生產(chǎn)機(jī)器中包括有兩個固定平臺，各自都有一臺250W的二極管激光器，用來進(jìn)行從內(nèi)和從外的焊接，每個平臺都有用于取放的機(jī)械手來安裝和傳送過濾器，此外還有一個在線壓力測量站。整個裝置如圖5所示。 圖5：過濾器激光焊接裝置結(jié)論 作為用來膠合和焊接塑料的手段，高功率二極管激光傳輸焊接技術(shù)正迅速變成傳統(tǒng)技術(shù)的可行的替代方案。它的優(yōu)勢十分符合汽車工業(yè)的需要，在某些膠合應(yīng)用上，這種技術(shù)經(jīng)常是唯一的選擇。