激光焊接技術(shù)在封裝塑料中的運(yùn)用探討

閆稱如++謝菲菲++王晴

[摘 要]現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，激光技術(shù)與焊接技術(shù)的完美結(jié)合催生了激光焊接技術(shù)，這一技術(shù)是目前工業(yè)加工及制造中較為常見的一種焊接技術(shù)。其利用激光束聚焦后能獲得高能量的特點(diǎn)，進(jìn)而在所需焊接的部位打激光束，焊接部位的金屬受到激光束產(chǎn)生的熱能而融化，即可進(jìn)行焊接工作。本文在此從激光焊接技術(shù)的機(jī)理及工藝參數(shù)出發(fā)，對(duì)激光焊接技術(shù)在封裝塑料中的運(yùn)用做了一定的探討。

[關(guān)鍵詞]激光焊接；工作機(jī)理；工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）07-0370-01

一、激光焊接技術(shù)的工作機(jī)理

20世紀(jì)60年代以來，伴隨CO2、YAG等激光器的誕生，研究人員們也迅速將其利用到了焊接技術(shù)中，進(jìn)而開發(fā)了激光焊接技術(shù)，它的開發(fā)和應(yīng)用為焊接行業(yè)帶來了新的希望，并且很快被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。激光焊接技術(shù)的工作機(jī)理由于激光器的不同也各有差異，因而，根據(jù)激光器提供的功率密度的大小可以將激光焊接技術(shù)分為兩類，一是激光傳熱熔化焊，二是激光深熔焊，他們的工作機(jī)理也各不相同。激光傳熱熔化焊所使用的激光器功率密度為105～106w/cm2，其工作機(jī)理是被焊工件表面吸收激光束熱量，然后利用熱傳導(dǎo)效應(yīng)在工件表面形成一定體積的熔池，使被焊部位熔化，然后進(jìn)行焊接工作。激光深熔焊所使用的激光器功率密度為106～108w/cm2，其工作機(jī)理為利用激光器功率密度高的特點(diǎn)，使材料達(dá)到瞬間汽化進(jìn)而在表面形成圓孔空腔，然后再通過控制激光束與工件間的相對(duì)運(yùn)用使空腔附近的金屬熔化，進(jìn)而完成焊接工作。

二、激光焊接的工藝參數(shù)

1、功率密度

單位面積內(nèi)激光功率稱為功率密度，它直接影響材料的升溫時(shí)間，激光功率越大，材料表面溫度升得就越快。高功率密度在切割、打孔等材料去除加工中得到廣泛的應(yīng)用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在傳導(dǎo)型激光焊接中，其數(shù)值控制在104～105W/cm2。

2、激光脈沖波形

當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60～98%的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強(qiáng)、傳熱快。一個(gè)激光脈沖訊號(hào)過程中，金屬的反射率隨時(shí)間而變化。當(dāng)材料表面溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，反射率會(huì)迅速下降，當(dāng)表面處于熔化狀態(tài)時(shí)，反射穩(wěn)定于某一值。

3、激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)，。脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定，脈寬越長(zhǎng)熱影響區(qū)越大，熔深隨脈寬的1/2次方增加。但脈沖寬度的增大會(huì)降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，較低的峰值功率會(huì)導(dǎo)致多余的熱輸入，每種材料都有一個(gè)可使熔深達(dá)到最大的最佳脈沖寬度。

4、離焦量

激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上的功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。

5、焊接速度

焊接速度低會(huì)使焊接材料過度熔化，從而導(dǎo)致工件焊穿，而焊接速度過快又會(huì)使焊接的熔深過淺。所以在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中對(duì)特定材料的厚度和激光功率有一個(gè)合理的焊接速度范圍。

三、激光焊接工藝與方法

1、雙/多光束焊接

雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時(shí)將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。后來。隨著激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時(shí)容易出現(xiàn)氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實(shí)施焊接，這樣可以適當(dāng)提高焊接小孔的穩(wěn)定性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生幾率。

2、激光-電弧復(fù)合焊

激光-電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，即極小的激光聚焦光斑對(duì)焊前工件的加工裝配要求過高，此外，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時(shí)對(duì)焊縫的成分和組織控制困難。而激光一電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種，即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光電弧復(fù)合焊方法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但最大缺點(diǎn)是熱源為非對(duì)稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對(duì)稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維焊接。

四、激光焊接技術(shù)在封裝塑料中的運(yùn)用

塑料的激光焊接技術(shù)主要用于普通焊接技術(shù)難以適應(yīng)的塑料制品（如高密度線路板）、形狀復(fù)雜的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品（如醫(yī)藥設(shè)備、電子傳感器等）等。激光便于計(jì)算機(jī)控制，采用光纖激光器輸出激光束可使激光靈活地達(dá)到零件各個(gè)微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域。傳統(tǒng)焊接技術(shù)無法焊接的異型塑料也有機(jī)會(huì)加以良好焊接，如用激光可將能透過近紅外激光的聚碳酸脂（PC）和30%玻纖增強(qiáng)的黑色聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）焊接在一起，而其他的焊接方法根本不可能將2種在結(jié)構(gòu)、軟化點(diǎn)和增強(qiáng)材料等方面如此不同的聚合物連接起來。

激光焊接技術(shù)被廣泛運(yùn)用在被黏接的非常精密的塑料零部件材料（如電子元件）或要求無菌環(huán)境（如醫(yī)療器械和食品包裝）中。激光焊接技術(shù)速度快，特別適用于汽車塑料零部件的流水線加工。另外，可以將激光焊接技術(shù)運(yùn)用在那些很難使用其它焊接方法黏接的復(fù)雜的幾何體中。目前國內(nèi)使用的塑料焊接技術(shù)主要有熱熔焊接、高頻焊接、振動(dòng)摩擦焊接及超聲波焊接等。塑料的激光焊接技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用。我國這方面的技術(shù)尚在起步階段。

近年來，激光二極管廣泛用于焊接及塑料的連接。激光焊接已用于制造汽車傳感器、調(diào)速控制箱及薄壁醫(yī)用管的精細(xì)焊接。激光焊接要求所焊接的2種塑料對(duì)同一波長(zhǎng)的光有不同的反應(yīng)，其中一種材料對(duì)激光必須具有穿透力，而另一種必須可被激光吸收，激光從上方接合處的穿透性元件傳到下方可吸收元件，這樣輻射能量就被轉(zhuǎn)化成局域性的熱能，此熱能導(dǎo)致塑料的熔化。而透明塑料部位的熔化是通過與非透明材料的接觸性熱傳導(dǎo)所致。在外部夾具的施壓下，由局部加溫而產(chǎn)生的焊接處熱膨脹可形成牢固接縫。

五、結(jié)語

總之，通過多年的激光焊接技術(shù)的研究與開發(fā)，逐步建立了生產(chǎn)、研究、開發(fā)相結(jié)合的激光焊接發(fā)展體制，并在個(gè)別的技術(shù)環(huán)節(jié)和應(yīng)用方面取得了一定的研究成果。未來，激光焊接技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加廣泛，從而進(jìn)一步推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)一步，為全人類造福。

參考文獻(xiàn)

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