激光焊接技術在封裝塑料中的運用探討

閆稱如++謝菲菲++王晴

[摘 要]現代科學技術高速發展，激光技術與焊接技術的完美結合催生了激光焊接技術，這一技術是目前工業加工及制造中較為常見的一種焊接技術。其利用激光束聚焦后能獲得高能量的特點，進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生的熱能而融化，即可進行焊接工作。本文在此從激光焊接技術的機理及工藝參數出發，對激光焊接技術在封裝塑料中的運用做了一定的探討。

[關鍵詞]激光焊接；工作機理；工藝參數

中圖分類號：TN249 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0370-01

一、激光焊接技術的工作機理

20世紀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中，進而開發了激光焊接技術，它的開發和應用為焊接行業帶來了新的希望，并且很快被廣泛應用于各個領域中。激光焊接技術的工作機理由于激光器的不同也各有差異，因而，根據激光器提供的功率密度的大小可以將激光焊接技術分為兩類，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，其工作機理是被焊工件表面吸收激光束熱量，然后利用熱傳導效應在工件表面形成一定體積的熔池，使被焊部位熔化，然后進行焊接工作。激光深熔焊所使用的激光器功率密度為106～108w/cm2，其工作機理為利用激光器功率密度高的特點，使材料達到瞬間汽化進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運用使空腔附近的金屬熔化，進而完成焊接工作。

二、激光焊接的工藝參數

1、功率密度

單位面積內激光功率稱為功率密度，它直接影響材料的升溫時間，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用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在傳導型激光焊接中，其數值控制在104～105W/cm2。

2、激光脈沖波形

當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有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、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中，金屬的反射率隨時間而變化。當材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當表面處于熔化狀態時，反射穩定于某一值。

3、激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數，。脈寬由熔深與熱影響分區確定，脈寬越長熱影響區越大，熔深隨脈寬的1/2次方增加。但脈沖寬度的增大會降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導焊接方式，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，較低的峰值功率會導致多余的熱輸入，每種材料都有一個可使熔深達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，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上的功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。

5、焊接速度

焊接速度低會使焊接材料過度熔化，從而導致工件焊穿，而焊接速度過快又會使焊接的熔深過淺。所以在現實生產中對特定材料的厚度和激光功率有一個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定的焊接過程和更好的焊縫成形質量，其基本方法是同時將兩臺或兩臺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。隨著激光焊接技術應用范圍的擴大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時容易出現氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實施焊接，這樣可以適當提高焊接小孔的穩定性，減少焊接缺陷的產生幾率。

2、激光-電弧復合焊

激光-電弧復合焊是近年激光焊接領域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業生產對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應性差，即極小的激光聚焦光斑對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對焊縫的成分和組織控制困難。而激光一電弧復合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優點，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點，是一種優質高效焊接方法。激光與電弧復合焊的方法包括兩種，即旁軸復合焊和同軸復合焊。旁軸激光電弧復合焊方法實現較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，焊接質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稱的復合熱源，大大提高焊接過程穩定性，并可方便地實現二維和三維焊接。

四、激光焊接技術在封裝塑料中的運用

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

激光焊接技術被廣泛運用在被黏接的非常精密的塑料零部件材料（如電子元件）或要求無菌環境（如醫療器械和食品包裝）中。激光焊接技術速度快，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運用在那些很難使用其它焊接方法黏接的復雜的幾何體中。目前國內使用的塑料焊接技術主要有熱熔焊接、高頻焊接、振動摩擦焊接及超聲波焊接等。塑料的激光焊接技術在歐美發達國家已經得到了一定程度的應用。我國這方面的技術尚在起步階段。

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、調速控制箱及薄壁醫用管的精細焊接。激光焊接要求所焊接的2種塑料對同一波長的光有不同的反應，其中一種材料對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化成局域性的熱能，此熱能導致塑料的熔化。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所致。在外部夾具的施壓下，由局部加溫而產生的焊接處熱膨脹可形成牢固接縫。

五、結語

總之，通過多年的激光焊接技術的研究與開發，逐步建立了生產、研究、開發相結合的激光焊接發展體制，并在個別的技術環節和應用方面取得了一定的研究成果。未來，激光焊接技術在民用領域的應用也將更加廣泛，從而進一步推動社會的發展和進一步，為全人類造福。

參考文獻

[1] 張文毓.激光焊接技術的研究現狀與應用[J].新技術新工藝，2001（01）.

[2] 李少華，康蓉娣.激光焊接技術及其應用[J].艦船防化，2011（04）.