应 用 激 光 ＡＰＰＬＩＥＤＬＡＳＥＲ

第３４卷第３期 ２０１４^年 ６^月

Ｖｏｌ．３４^， Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ２０１４

激光塑料焊接工艺研究与数值模拟分析

（１上海市激光技术研究所，上海２００２３３； ２上海市激光束精细加工重点实验室，上海２００２３３）

摘要 金属材料的激光焊接已经得到了较广泛的应用 ，而激光焊接塑料的研究正刚刚起步 。 随着塑料激光焊接设备的逐步商品 化 ，塑料激光焊接的应用必将越来越广泛 。 设计并确定了激光焊接的实验方案 ，通过工艺试验及数值模拟分析 ，优化工艺参 数 ，提高焊接强度和焊接精度 ，为塑料激光焊接在生产实际中的应用提供工艺方法实验指导 。 关键词 激光塑料焊接； 最佳功率密度； 数值模拟分析 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ^： １０．３７８８^／ ＡＬ２０１４３４０３．２３３

ＰｒｏｃｅｓｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬａｓｅｒＷｅｌｄｉｎｇｏｆＰｌａｓｔｉｃｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｓｂｅｅｎｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ^， ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｐｌａｓｔｉｃｓｉｓｊｕｓｔｇｅｔ－ｔｉｎｇｓｔ ａｒｔｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅｇｒａｄｕａｌｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｐｌａｓｔｉｃ^， ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｐｌａｓ－ｔｉｃｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｇｒａｍｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｔｅｓ ｔａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ^， ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ^， ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｗｅｌｄ－ｉｎｇｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｅｘｐ ｅｒｉｍｅｎｔａｌｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｐｒｏｃｅｓｓｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｐｌａｓｔｉｃｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆｐｌａｓｔｉｃｓ^； ｏｐｔｉｍｕｍｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ^； ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ

０ 前言

相比于各类传统的塑料焊接方法 ，激光焊接能 生成精密、牢固和密封的焊缝 ，由于激光的非接触特 性，不会产生污染。 另一个特点是激光焊接比采用 其他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织的老化速度更慢 ，因此 更适合应用于易损坏的制品如电子传感器或微电机 系统（ＭＥＭＳ）的制造［１－２］。

目前，塑料激光焊主要是在欧洲流行。 在美国 和加拿大，塑料加 工商们正在小心观察激光技术的 成本。不过，已有部分焊接设备投放到了市 场［３］，而 且激光设备和塑料材料方面的进一步发展 ，激发起 他们使用这种技术的愿望。 在美国，激光焊接似乎 可能发展成为一种适合某些应用的连接方法 ，在这 些应用中，与其它焊接方法如超声波焊 、振动焊、热

板焊相比，激光焊接具有成本和性能方面的优势。 无庸置疑，随着激光技术和塑料工业的不断发展 ，塑料 激光焊接技术将会在世界各国获得愈来愈广泛的应 用。

本文设计并确定了激光焊接的实验方案，通 过 工艺试验及数值模拟分析 ，优化工艺参数，提高焊接 强度和焊接精度 ， 为塑料激光焊接在生产实际中的 应用提供工艺方法实验指导 ，对实际生产中解决实 际问题也有很大的参考价值。

１ 试验方案

１．１^试验装置

根据工件结构形状的不同 ，激光透射封装焊接 可以采用以下四种加工模式 ：顺序型周线焊接、同步 焊接、准同步焊接、掩模焊接。

顺序型周线焊接 （ＣｏｎｔｏｕｒＷｅｌｄｉｎｇ）：激光沿着

收稿日期：２０１４－０４－３０； 收到修改稿日期：２０１４－０６－０５基 金项目：科技部资助项目（项目编号：２０１４ＤＦＲ１０３６０） 作者简介：王健超（１９８２－），工程硕士，长期在科研一线从事激光应用技术研发及科研项目管理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｔｈ２０００＠１６３．ｃｏｍ

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焊接层的轮廓线移动并使其熔化 ，将塑料层逐渐地 粘接在一起。在所有激光焊接方法中 ，周线焊接灵 活性最好，能形成复杂的三维焊接轮廓。 周线焊接 能量效率高、可编程性好、工具成本低、装配速度快， 但焊接时间比其它方法长。 由于是局部熔化塑料， 周线焊接的几何偏差很小。

图１系统结构图

Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍ

１．２^{激光器的选择}

塑料焊接需要高密度的能量输出 ，尽管激光作

同步焊接 （ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＷｅｌｄｉｎｇ）：来自多个 激光器的激光束，通过光学元件将激光束整形 ，激光 束被引导到沿着焊接层的轮廓线上 ，并在焊缝处产 生热量，从而使得整个轮廓线同时熔化并粘接在 一起。

准同步焊接（Ｑｕａｓｉ－ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＷｅｌｄｉｎｇ）：准 同步焊接又称扫描焊接（ＳｃａｎＷｅｌｄｉｎｇ）。 该技术综 合了上述顺序型周线焊接和同步焊接两种焊接技 术。准同步焊接用一对伺服控制的振镜控制激光 束，激光束快速多次扫描焊接部位 ，使得焊接接头每 一点的温度梯次增加 ，直至整个焊接接头所有点几 乎同时达到熔点开始熔化 。 准同步焊接时间比周线 焊接短得多。

振镜扫描准同步焊接设备由激光器 、光学系统、 扫描振镜、工作台及夹具、机电一体化控制系统及软 件组成，再通过数字信号将光机电这三个部分有机 地结合起来。该系统具有下列优点：焊接速度快，使 用灵活，适用面广，可进行大幅面、复杂表面的封装 焊接。

针对产业化的需求 ，本文采用的是准同步焊接 （扫描焊接）的方式进行工艺试验 ，振镜扫描准同步 焊接设备由激光器 、光学系统、扫描振镜、工作台及 夹具、机电一体化控制系统及软件组成 ，再通过数字 信号将光机电这三个部分有机地结合起来 。 该系统 具有下列优点：焊接速度快，使用灵活，适用面广，可 进行大幅面、复杂表面的封装焊接 。

为热源许多年前就已经用于塑料焊接 ，但是真正 的工业运用是随着激光器的价格的降低才普 遍起来［４］。激光的辐射能量被材料吸收被转化成 热 ，大 多数用于塑料焊接的激光都是可见光或是 处于电磁 光谱的近红外部分。 由于近红外光谱 的特性 ，所以光束发散角度很小，即使是通过镜片 或是光纤进行 长距离传输，光束质量却仍然很高 ［５］。

本文使用的是美国ＪＤＳＵ 公司的工业级光纤 激 光器———ＩＦＬ２５（图２），该激光器通过光纤传 输 ，具有光束质量高，体积小，效率高等优点，因此 可以同 时满足顺序型周线焊接及准同步扫描焊接 这两种不 同的工作方式。并且由于该激光器属于 标准化工业 级产品，接口及控制方式具有典型 性 ，所以针对其开发的控制模块可以比较容易的 移植到各类先进的激 光器上，具有一定的通用 性 。

图２ＪＤＳＵＩＦＬ２５光纤激光器 Ｆｉｇ．２ ＪＤＳＵＩＦＬ２５ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ

该激光器的具体型号及技术参数为：型号——— ＩＦＬ２５^{；最大输出功率：} ２５．０Ｗ^{；中心波长：} １１１０ｎｍ^； 控制接口：并行数据通讯接口口和串行数据通信接 口。

其控制方式如图３所示，通过并行数据通讯接 口设定激光器的工作参数及实时监控工作状态 ，通 过串行数据通讯接口高速控制激光器的开关及调节

激光功率。

图３ＩＦＬ的典型控制方式

Ｆｉｇ．３ ＴｙｐｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆＩＦＬ

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１．３^光学系统

在光学系统部分 ，采用适合工业加工的高速扫 描振镜加Ｆ－θ聚焦透镜的组合，其光学系统如图４ 所示 。 激光束通过准直扩束以后进入二维扫描振镜 来实现光束偏转，然后通过Ｆ－θ聚焦透镜进行聚 焦。考虑到本系统需要封装各种样品的尺寸，本项 目采用了最大扫描范围可达３００ｍｍ×３００ｍｍ的 Ｆ－θ聚焦透镜^， 具体参数如下^：

图４光学系统 Ｆｉｇ．４ＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ

焦距 ：４２０ｍｍ，扫描角度 ：±２７°，扫描范围 ：

３００ｍｍ×３００ｍｍ^{，入射光斑} ２０ｍｍ^，长度 ７０ｍｍ^， 工作距离４９５ｍｍ。

１．４^试验材料

本文激光塑料焊接所用的塑料有两种 ，一种是 ＰＭＭＡ^（ ＰｏｌｙｍｅｔｈｙｌＭｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ^{），即聚甲基丙烯} 酸甲酯，俗称有机玻璃作为透过材料 ；另外一种是黑 色的 ＡＢＳ^（ ＡｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅＢｕｔａｄｉｅｎｅＳｔｙｒｅｎｅ^），即丙 烯腈－丁二烯－苯乙烯作为吸收材料。

２ 工艺试验及焊接参数

工艺试验的目的是要通过对不同塑料材料做不 同激光焊接功率及焊接速度的试验 ，掌握激光焊接 各种塑料材料的最佳工艺参数。 通过分析，发现影 响塑料焊接效果的主要因素有以下四点 ：激光光斑 大小，焊接材料，焊接速度和激光功率。基于以上因 素及试验条件，在进行焊接工艺测试时 ，采用锁定前 ３^{个变量，调节激光功率的方法来进行参数试验。} 通过这些数据就可以知道在光斑 、材料、速度一定的 情况下的最合适的激光功率 ，从而算出合适的能量 密度，得到最后的塑料焊接工艺的参数，具体见 表１。

表１ 采用光纤激光器 ，黑色 ＡＢＳ和透明 ＰＭＭＡ 的典型封装数据

Ｔａｂ．１ Ｔｙｐｉｃａｌｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄａｔａｂｙｕｓｉｎｇｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ^， ｂｌａｃｋＡＢＳａｎｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔＰ ＭＭＡ

编号	焊缝宽度／ｍｍ	速度／（ｍｍ／ｓ）	功率／Ｗ	能量密度／（Ｊ／ｍｍ ２）	宏观焊接效果
１	１	３０	１０．０	０．３３３	未焊牢
２	１	３０	１３．０	０．４３３	焊牢，有少量气泡
３	１	３０	１５．０	０．５００	熔化，有大量气泡
４	１	３０	２０．０	０．６６７	未焊牢，严重热分解
５	２	１５	７．０	０．２３３	未焊牢
６	２	１５	７．５	０．２５０	焊牢
７	２	１５	８．０	０．２６７	焊牢效果佳
８	２	１５	８．５	０．２８３	熔化
９	２	１５	９．０	０．３００	未焊牢
１０	３	５	４．５	０．３００	焊牢，有微量气泡
１１	３	５	５．０	０．３３３	焊牢
１２	３	５	５．５	０．３６７	焊牢