徑向?qū)ΨQ塑料部件的激光焊接是當(dāng)下塑料連接技術(shù)最有效的方法之一，此工藝在連接潔凈度及高精度方面具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性可行性。

近年來(lái)，激光塑料焊接的應(yīng)用逐漸增加，尤其是在汽車電子，醫(yī)療技術(shù)和家用電器等行業(yè)越來(lái)越廣泛，一方面是因?yàn)榧す夂附颖旧淼募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，另一方面得益于汽車相關(guān)行業(yè)的不斷創(chuàng)新需求和產(chǎn)品的成本管控的壓力。因此，汽車行業(yè)供應(yīng)商一直在尋找更多的創(chuàng)新技術(shù)，以便以更低的成本為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品服務(wù)。

激光塑料焊接有其自身的工藝特點(diǎn)，如柔性加工，便捷的過程控制，非接觸性加工，精準(zhǔn)加工區(qū)域控制，熱影響區(qū)較小及焊接部位較小的應(yīng)力等，為此激光塑料焊接可以充分應(yīng)用其工藝優(yōu)勢(shì)并對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行不斷地優(yōu)化調(diào)整。另外，相較于其他焊接方式，激光塑料焊接是一種完全無(wú)磨損的工藝方式。對(duì)于一些含有敏感元器件的產(chǎn)品焊接，高強(qiáng)度焊接需求，尤其是對(duì)于潔凈度和無(wú)粉塵要求的產(chǎn)品，激光塑料焊接是最佳之選。

基本原理

現(xiàn)在的激光塑料焊接主要是透過式的焊接方式。一般來(lái)說，塑料件輔以不同的添加劑或是添加劑的濃度不同會(huì)造成不同的激光穿透率。焊接時(shí)，待焊接兩個(gè)部件彼此疊置，激光束穿透上層透過率較高的材料，聚焦于下層激光吸收層上，高能激光束使其熔化，同時(shí)熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞給深層高透明材料使其熔化，在一定的壓力下，上下兩部件連接在一起，形成焊接。

依據(jù)焊接產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)激光能量的控制方式可以分為輪廓焊接，準(zhǔn)同步焊接及同步焊接這幾種方式。在輪廓焊接中，激光束與工件焊接位置相對(duì)繞轉(zhuǎn)而成的徑向?qū)ΨQ焊接特殊方式。在焊接過程中，激光束沿著既定軌跡對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一次或多次的激光束慢速掃描使待焊接產(chǎn)品接觸面升溫熔化，然后漸次冷卻，形成焊接輪廓。

此種焊接方式與一般激光塑料焊接最大的區(qū)別是焊接過程中施加的加持力方式有所不同，在徑向?qū)ΨQ產(chǎn)品焊接過程中，需要依據(jù)產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)采用過盈配合的方式施加焊接過程中所必須的壓力，這樣就無(wú)需準(zhǔn)備外部施力結(jié)構(gòu)。此種焊接方式具有明顯的經(jīng)濟(jì)可行性及縮短了整個(gè)焊接節(jié)拍。因此兩件產(chǎn)品件的配合公差就顯得尤為重要，前期準(zhǔn)備工作中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、注塑等環(huán)節(jié)中要引起足夠重視。

三種不同工藝方式

下圖展示了徑向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)焊接在工業(yè)生產(chǎn)中常用的三種方式圖例及其解釋，最主要的區(qū)別是激光束的運(yùn)動(dòng)控制方式的不同。

（a） 激光束固定，產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)

目前應(yīng)用最為簡(jiǎn)潔并且廣泛的一種方式為固定光學(xué)路徑產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（見圖1a），尤其是對(duì)于沒有線束，管道等相對(duì)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品。在此種焊接過程中，產(chǎn)品被固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，產(chǎn)品會(huì)沿著既定激光束旋轉(zhuǎn)一周或是多周，其中最主要的一個(gè)工藝參數(shù)就是產(chǎn)品的圓周進(jìn)給速度及所需要的激光束能量，這些參數(shù)都可以進(jìn)行工藝設(shè)定及進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

此種焊接方式具是一種經(jīng)濟(jì)型的解決方案，并且利于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的便捷性，其最大的優(yōu)勢(shì)是可以使用高溫計(jì)或是遠(yuǎn)紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)過程控制。但是這種工藝在高自動(dòng)化及加工產(chǎn)品尺寸上具有一定的局限性（如產(chǎn)品總體外觀尺寸，管線長(zhǎng)度等…）

（b） 產(chǎn)品固定，激光束繞轉(zhuǎn)

第二種工藝方式與第一種工藝方式實(shí)現(xiàn)方式有所不同，并且也已有十多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在此種工藝中，工件被固定在載具上面，激光束通過合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)（光學(xué)臂）繞轉(zhuǎn)工件，主要的工藝參數(shù)與上述第一種工藝方式一致。

這種焊接方式一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)較大幾何尺寸產(chǎn)品的焊接，或是在非焊接部位有線纜的產(chǎn)品，就使得部分焊接產(chǎn)品的線纜可以很長(zhǎng)，甚至長(zhǎng)達(dá)數(shù)米。全新一代的焊接模組具有廣泛的適用性，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集成，該組激光安全等級(jí)可達(dá)1級(jí)。

（c） 產(chǎn)品固定，激光束通過反射鏡透射到產(chǎn)品上

目前最新的徑向焊接技術(shù)是基于激光掃描技術(shù)的準(zhǔn)同步焊接。掃描振鏡引導(dǎo)控制激光束的移動(dòng)，并且投射到錐形鏡面上，錐形鏡面將激光束反射到待焊接位置（Fig1．c），在此種結(jié)構(gòu)下，激光束作環(huán)形運(yùn)動(dòng)形成沿著產(chǎn)品繞轉(zhuǎn)的能量光束。

與上述焊接方式相較，除了適用較大產(chǎn)品尺寸以及含有線纜的產(chǎn)品焊接，此焊接工藝還有一個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)焊接軌跡的最大自由化變換，不僅僅是圓形焊接軌道，還可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步多軌道的焊接。另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是得益于高速掃描振鏡的加工速度，焊接速度可以大幅提升。由于采用了更多的光學(xué)部件，使得在線監(jiān)測(cè)變得一定程度上的受限，另外還要對(duì)這些光學(xué)器件進(jìn)行定期的監(jiān)測(cè)、維護(hù)。

焊接工藝比較

由于每一種的焊接方式都有一定的優(yōu)勢(shì)及相應(yīng)的局限性，下表展示了同焊接方式的在使用上的優(yōu)劣性供參考。在實(shí)際使用中這三種方式根據(jù)各自的需要都有采用，并且都在汽車電子產(chǎn)業(yè)中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)。

工藝過程監(jiān)控

一般常用的輪廓焊接中都需要使用工藝過程監(jiān)控，工業(yè)生產(chǎn)中最常用也是迄今為止最為經(jīng)濟(jì)有效的方法是通過高溫計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)焊接區(qū)域的溫度。在上述三種焊接方式中均是將高溫計(jì)耦合至激光傳輸光路中進(jìn)行同步測(cè)量。依據(jù)材料及其添加劑的不同，溫度量測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)而動(dòng)，并且可以設(shè)定上下限范圍，上下焊接件之間的不良接觸或是空氣間隙都能通過這種方式監(jiān)測(cè)出來(lái)。通過這種方法還可以根據(jù)溫度曲線變化適時(shí)調(diào)節(jié)激光器的輸出能量。

圖2，高溫計(jì)量測(cè)溫度曲線示意圖

應(yīng)用實(shí)例

徑向焊接較為廣泛的應(yīng)用主要有管線相關(guān)的連接器，輸油管或SCR管線的閥組件以及瓶體相關(guān)的應(yīng)用。Fig．3 即為一個(gè)徑向焊接產(chǎn)品圖例，管體本身為激光吸收型材料，接頭為激光透過性材料。本產(chǎn)品選用配套光學(xué)手臂的結(jié)構(gòu)，并輔以高溫計(jì)來(lái)進(jìn)行工藝過程監(jiān)控及優(yōu)化。易沃斯激光系統(tǒng)Evosys提供緊湊型集成設(shè)備EVO 0700是專為此種應(yīng)用而開發(fā)的裝備，并可保證激光的安全等級(jí)為1級(jí)，這樣就無(wú)需集成商再進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)雜的安全防護(hù)罩設(shè)計(jì)。

圖3，管線焊接樣品圖示

設(shè)計(jì)規(guī)范

激光塑料焊接對(duì)于材料和產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)都有必要的要求，尤其是對(duì)于徑向?qū)ΨQ的產(chǎn)品焊接必須要求在焊接位置徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著光學(xué)產(chǎn)品和工藝技術(shù)研發(fā)，激光塑料焊接可以擴(kuò)展至橢圓焊道甚至更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)焊接。一般來(lái)說，此種工藝最重要的是兩工件之間的過盈配合效果。

由于徑向焊接無(wú)需外加焊接夾持壓力，所以焊接位置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)至為重要。裝配時(shí)需要保證兩工件之間提供較好的過盈配合壓力，確保接觸面之間無(wú)空隙。常見的過盈配合結(jié)構(gòu)可參考圖4設(shè)計(jì)以確保合適的過盈配合壓力。兩工件之間的公差很大程度上依賴于工件的尺寸及材料本身性能，必要時(shí)需要進(jìn)行系列測(cè)試來(lái)確定最終的配合公差尺寸。在塑料玻璃化狀態(tài)下，液態(tài)塑料在一定壓力下會(huì)外溢、流動(dòng)，因此焊接位置盡量避免直接暴露在顯眼的位置影響產(chǎn)品的美觀性。

圖4，過盈配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)