激光焊接技术(文献综述)

前言

迄今为止，夹具对于机电产品制造业来说，依旧有无可替代的地位。夹具行业逐渐形成，甚至有不在依附机床行业而自己变成一个独立行业之势。

在未来的时间里自动化，机械化的程度将会越来越高，激光焊接的领域也越加成熟，焊接夹具在激光焊接塑料时，也就拥有其特有的发展空间。目前激光焊接主要被用于医疗，汽车，电子和包装等范围，跟着助料和涂料技术的成长，激光焊接逐步克服了在应用上的限制。这也就等于激光夹具，也拥有了更大的市场。

传统的焊接夹具一般包括夹紧机构和支撑装置。支撑装置大多为一块钢板，结构比较简单，其主要作用是支撑焊件。夹紧机构主要包括带孔夹紧板和4个快速夹具，快速夹具位于支撑装置四角且对称排列。快速夹具的主要作用是夹紧夹紧板，使得夹紧板进一步夹紧焊件，夹紧板的主要作用是夹紧焊件、减少焊接变形和改善焊接强度。夹紧的过程采用手动，夹紧动作不能保证同时完成使得夹紧板受力不均匀，并且夹紧板的放置具有随意性，当焊件位置不当，也会受到快速夹具的不均匀夹紧力，受力不均就使夹紧板产生扭曲变形，使其失去作用力。夹紧过程采用手动，夹具制造精度低，各种尺寸的焊件均在同一种夹具上完成，耗费大量的人力，降低了焊接的效率，夹具人与夹紧装置直接接触，会在一定程度上降低夹具使用寿命，降低焊接的精度。

传统的焊接夹具存在诸多的缺陷，其一，缺少焊件定位装置，焊件随意放置在支撑板上，当放置位置不当时会导致夹紧板扭曲失效，还会导致焊件移动焊接精度低；其二，夹紧过程自动化程度低，夹紧过程采用手动，耗费了大量的劳力，且会造成夹紧动作不同时使得夹紧板扭曲失效；其三，缺少导向装置，夹紧板放置比较随意，易产生变形，焊接时振动等因素会影响焊接质量，导向装置既可以定位又可以导向使得夹紧与焊接平稳进行。

这款夹具由气缸驱动。由气缸驱动的好处有，只需通过改变空气压缩机压力的大小，就能够改变夹紧力的大小。相较于手工或是螺钉夹紧等，对于夹具的夹紧力的改变要更为精确一些。相对于更加精密的复杂的夹具，成本则相对较低，也就是说在已知塑料件最佳夹紧力的情况下，气动夹具能够很好的将夹紧力调整到适应的程度。并且只需保持空气压缩机压力的大小，对于同批次生产的夹具，夹紧力的大小也就很好固定下来。

激光焊接的原理是通过光照系统，把波长在800~1060nm的激光束的能量集中在焊接区域。而两个待焊接件必须有其中一个是能够让光没有损失就可以通过的，透明的；而另一个就是能够吸收激光的能量的，不透明的塑料件。激光束穿透透明焊作用在不透明的焊件上，能量被其吸收，产生热作用区，在热作用区中的塑料被融化，在冷却凝固的时候,融化的材料形成了接头,就将待焊接的部件连接起来了。

　激光焊接塑料由于其自身的加工原理特点，使其较其他方式的焊接有许多天生的优点。

如：焊接设备不需要和被粘结塑料的塑料零件产生接触；激光焊接的速度，非常快；设备的自动化程度一般都比较高，对于复杂的塑料的零部件加工，也能很方便的进行；没有传统焊接的飞边等问题；焊接质量好，焊接牢固。得到的焊接件，精度很高；可以实现无振动；能够产生密封的甚至是真空的密封结构；且能够最小化热损坏和热变形；能够将不同组成，不同颜色的树脂连接在一起。

其优势还有，因为激光焊接精密，牢固和密封不透气且不漏水，在焊接的过程中又几乎没有碎屑的产生。使焊接工艺更能够适用于食品药品和电子等领域；易于控制的特点，让它可以较为容易的焊接尺寸小，外形结构复杂的工件，因为激光焊接能够焊接到其他焊接方式不易到达的部位，所以机关焊接能够焊接具有复杂外形，甚至是三维几何形状的制品。同其他焊接方式相比，激光焊接能够产生更少的震动和热应力，这也就是说，由激光焊接所得的工件能够获得更好的质量，老化速度更慢。

第1章文献综述

第1.1节激光焊接技术

1.1.1激光焊接技术应用的现状

自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。

随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良、能提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍。

当前，激光所能够焊接的材料，除了传统的金属材料之外，其范围正在逐步扩大，在例如陶瓷等非金属材料上的使用也越来越多；而塑料作为有机材料的代表之一，也被用来作为激光焊接的对象，能够用激光实现焊接的塑料必须是热固性的。20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上;但直到20世纪90年代,才取得了大规模的工业应用。见于文献报道的最早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度为1.5毫米）。

直到目前，由于激光器技术的限制以及塑料材料本身固有的强度低、耐热性差、易变形等特点，在塑料工业中，激光作为焊接工具还不是非常普遍；塑料激光焊接的成品，也仅仅限于包装、医疗器械、微电子产品等方面。但是，随着塑料材料和各种激光器及激光加工机的快速发展，塑料激光焊接技术的研究和应用也必将越来越广泛。

1.1.2塑料激光焊接的原理

塑料激光焊接的基本原理与金属材料激光焊接的基本原理相近。激光作为一种焊接用热源，具有准直性优良、光束能量密度高、作用区域小等优点。在焊接过程中，通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，将激光器产生的光束聚焦于待焊接区域，形成热作用区；在热作用区中的塑料被融化；在随后的凝固过程中，已融化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来。

由于被焊接材料具有本质上的不同，塑料激光焊接的特点和具体工艺与传统金属焊接也有比较大的差别。激光的波长在金属材料的激光焊接工艺中，一般采用YAG或者CO2激光作为光源，塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的快速发展，半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。

由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高，但对可控性和易操作性要求较高，因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。

第1.2节激光焊接夹具的发展现状及发展趋势

1.2.1激光焊接夹具的近况简介

在07年，美国明尼苏达大学的Van de Ven设计了一款激光焊接塑料的夹具，但其仅仅能适用于t型的材料。不久后的07年。在江苏大学的张惠中设计了一种用于激光焊接投射焊接的专用夹具，其夹具具有高自动化的特点，能够精准的测定出施加在焊件上的夹紧力的大小。准确测得夹具的夹紧力，就能后更好的调整对焊件的夹紧力的大小，其主要创新在于在夹具体上添加了称重传感器，而具体的夹紧则是由涡轮杆提供的夹紧力。换句话来说这项夹具的设计实现了对于夹紧力控制的一半，即能够精确知晓夹紧力的大小。

中国科学院的刘长勇和于海设计了一种琴键式的激光焊接塑料夹具，为减少塑件的自身变形上，去除塑料内力对焊接时产生的影响，而采取的这种焊接夹紧装置。并以壳体为例，演示了焊接质量。这种夹具改善了传统夹具在激光焊接塑料时的不足，即焊接塑料时，与焊件其他金属板件所要考虑的问题的差异。

由于注塑、挤压等工艺限制，相当一部分制品因尺寸、形状及结构的限制，不能一次加工成型，需要二次加工进行连接，激光透射焊接在塑料连接中占有重要地位，夹具是完成焊接的重要设备。夹具具有夹紧焊件，减少焊接变形，改善焊接强度的作用，夹具的性能在很大程度上影响了焊件的焊接质量。

相比于传统的焊接夹具，传统的焊接夹具一般包括夹紧机构和支撑装置。支撑装置大多为一块钢板，结构比较简单，其主要作用是支撑焊件。WWW.eeElw.com夹紧机构主要包括带孔夹紧板和4个快速夹具，快速夹具位于支撑装置四角且对称排列。快速夹具的主要作用是夹紧夹紧板，使得夹紧板进一步夹紧焊件，夹紧板的主要作用是夹紧焊件、减少焊接变形和改善焊接强度。夹紧的过程采用手动，夹紧动作不能保证同时完成使得夹紧板受力不均匀，并且夹紧板的放置具有随意性，当焊件位置不当，也会受到快速夹具的不均匀夹紧力，受力不均匀会使夹紧板产生扭曲变形，导致失去作用。夹紧过程采用手动，夹具制造精度低，各种尺寸的焊件均在同一种夹具上完成，耗费大量的人力，降低了焊接的效率，夹具人与夹紧装置直接接触，会在一定程度上降低夹具使用寿命，降低焊接的精度。

1.1.2激光焊接夹具的发展前景

激光焊接塑料技术是很专业化的粘结技术，当要求高速焊接以及要求精密焊接或无菌条件焊接时，这就可以发挥出激光焊接最好的优势。该技术曾经受制于价格因素，但是随着设备价格的不断下降，已经在很多应用领域比超声波焊接以及热板焊接更具竞争力。激光焊接技术主要的应用领域有医疗、汽车、电子和包装等领域。由于助剂和涂料技术的发展克服了激光焊接技术早期应用的限制条件，所以激光焊接技术的深入广泛使用在很大程度上要归功于它们的进步。

基于激光焊接的发展前景，如此激光焊接夹具也就有了发展的前景。在激光焊接中，合理的夹具是必要的，夹具的发展在一定程度上也能够推动激光焊接技术的发展。