塑料的激光加工

在汽車工業中，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鍵的技術。
已有的技術如超聲波焊接，熱板焊，以及粘合技術各有所長，但是這些技術存在不少局限性，如在加工過程，可焊接材料方面有限制，費用昂貴，或是需要使用專門工具。然而，針對這些技術的限制，出現了一種新型技術。高功率二極管激光器的商業化和傳輸焊接技術的發展從根本上改善塑料焊接的能力，它已發展到有可能促使激光焊接成為塑料加工的關鍵加工技術。
高功率二極管激光器
高功率二極管激光器是基于固態技術而發展起來的，因此，它們可靠性好，典型的最少設計使用壽命在10,000工作時左右。它們也對已有的激光器類型帶來了進一步的顯著改善，在結構緊湊性，光束尺寸，電光效率以及資本和運行費用方面。
例如，250W的激光頭裝置尺寸僅260×125 x 125mm，重5 kg。輔助設備僅有一個小的控制面板和一個冷卻裝置。組合控制系統與冷卻裝置的系統也可用。激光頭緊湊的結構使它可以被直接安裝到機械手上，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%。
目前現有的高功率二極管激光器輸出功率大于6KW，這樣的強度足以滿足熔覆，焊接，以及金屬的表面熱處理。然而，在汽車工業方面，激光焊接初始應用是在連接聚合物方面。雖然熱塑性塑料易于吸收遠紅外波段的輻射能，但是對于二極管激光器產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，強化劑等來使塑料吸收激光能量。
傳輸焊接
傳輸焊接技術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來實現焊接。通過仔細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，從而實現焊接目的。在這方面的應用中，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。
激光傳輸焊接與現有的塑料焊接技術相比具有許多的優勢。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，熱板焊接系統都需要許多專門的工具來對元件進行加工。
在激光加工過程中的關鍵因素包括：選擇加入聚合物的添加劑，（即色素、增強劑、加工輔助劑），接縫設計，加工通路設計等。
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了商品化。對一系列熱塑性塑料的適用性評估已經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。
作為非接技術，激光焊接避免了與其他傳統技術有關的工具污染和產品放置的問題。從二極管激光器系統射出的光束是高度可控的，而且輸出穩定且可預先設定，并允許進行連續焊接。激光器功率高，光束寬，因此可以進行大面積的焊接，事實上對于元件尺寸和結構沒有任何限制。而如果需要的話，光束的高度可控性和光束傳輸的準確性也能夠確保十分精密的焊接操作。
汽車應用
在食品包裝，醫療設備，和科研設備等領域中都已很好的利用了激光傳輸焊接技術，而汽車工業仍是這項技術最主要的采用領域。
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來制造一種新型電控節氣門（ETC）踏板用于機動車輛。踏板如圖1，它被制成玻璃填充尼龍模具，在汽車工業的用途很廣。
圖1：電控節氣門踏板
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，經濟，且不易損壞特性。當駕駛員踩踏板時，需求信號被傳送到引擎控制系統，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，從而達到經濟，性能的優化，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確的放置并且調零，所以若使用振動焊接技術在兩個不同的塑料元件之間進行焊接是不現實的。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或者超聲焊接技術來連接這兩個元件。
WarwickLaser Systems公司的開發中心在成功的進行多次實驗后，將二極管激光傳輸焊接系統直接合并到Birkby公司特意建立的自動組裝，焊接和測試生產線，來焊接電控節氣門踏板組件中的兩個玻璃填充尼龍元件（圖2）。該系統產生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的機械手上，無需任何專門工具。對該部件采用機械手操作的好處在于實現系統的靈活性。由于要求焊接在元件的兩邊進行，在這種情況下，機械手是最高效的選擇。
有重復的元件的話就需要使用夾具，并且對程序進行改動。機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視。由于機械手的工作區域很大，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了若干個數的零件后進行一次測量。
在這個作單元內建立材料測試平臺的計劃正在進行中，該平臺可以安置在工作區外90° 到 180°之間的任何區域。優勢在于，激光器，機械手以及安全費用都已經核算過了。這樣，只需考慮固定夾具和機械手程序了。
這項技術的另一個應用例子是為英國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，外殼是圓環筒形的，因此它需要從外邊緣和內邊緣進行對接焊接（圖3） 。在焊接以前，殼內的過濾介質被壓縮在箱體中，由于阻尼效應，無法使用振動焊接技術。外殼最小的爆裂壓強是12巴，安全工作壓強是6巴。
圖3：過濾器焊接位置的截面示意圖
雖然已經成功的通過了汽車工業測試規范，但是過濾器的爆裂壓強被認為是焊接強度的決定性測試，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。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12巴。保持這個壓強幾秒鐘，有任何壓強的下降則可能表明產生裂縫。然后繼續加壓直至過濾器最終破裂。破裂壓強的標準值>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°的地方發生破裂，而不是沿著焊縫。
圖4：過濾器在34巴壓強下爆裂后的情況
在Pall的生產機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，用來進行從內和從外的焊接，每個平臺都有用于取放的機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