工艺

  

红外／激光焊接有三种基本模式；
●表面加热(与热工具焊接和热金属板焊接类似)
●通过透射红外焊接(TTIr)
●红外／激光铆接
(一)  表面加热
    这项技术与热工具焊接和热金属板焊接类似。红外线或激光直接照射待焊件表面一定时间，使部件表面产生一层熔融层，时间一般为2～10s。表面充分熔融后，撤掉两个部分之间的激光／红外线，两个部件熔合在一起，熔体固化。
关于红外／激光表面加热焊接的基本步骤见图1。

图1  红外／激光表面加热焊接的基本步骤

     以下是红外／激光表面加热焊接模式的六个主要步骤。
(1)装载焊件  一般是手工将焊件放置到夹具上。某些情况下，夹具配备有真空装置来帮助固定焊件。
(2)施加压力  这一步由操作员启动，通常通过按下两个按钮来实现。红外／激光源被移到两个待焊接的焊件之间。
(3)施加红外线  一旦红外线源和焊件适当定位后，对焊件进行红外线照射，促进熔合面(即将焊接的表面)的加热和熔融。加热时间通常由操作员事先设定。
(4)过渡阶段  红外线能量施加到焊件上后，移开激光源，让焊件紧密接触。从停止激光照射到将焊件压在一起的时间间隔通常称为停留时间，这个时间越短越好，以免熔融层外表面过早固化。
(5)夹紧／保持阶段  在这个阶段，焊件在预定压力下合在一起，以确保熔融表面紧密接触并挤出源自焊接区的污染物。通常使用机械制动装置来限制焊件的活动，防止过多熔体排出。如果不用机械制动装置，所有熔体可能都会被挤出焊接区，导致劣质的焊缝，即所谓的“冷焊”。
(6)卸载焊件  熔融层充分固化后，就可以取下焊件。
    表1为红外线表面热焊接的一般周期。

表1  红外线表面热焊接一般周期

(二)  通过透射红外焊接(TTIr)
    这种红外线焊接的原理是：让红外／激光射线(波长一般为800～1050nm)穿过一个待焊接件，而另一个待焊接件表面可以吸收红外线(见图2)。吸收能量使界面受热熔融，焊件得以焊接在一起。

图2  TTIr焊接塑料

    红外线焊接的TTIr模式是目前最常用的操作模式，因为与表面加热焊接相比它有几个优点．例如：待焊接件采用预先装配，也就是说，焊接件在设备上所放置的位置和方向从头到尾都是一样的．在许多应用中，这种固定很重要，可以使准焊件在焊接过程中不需要复杂的夹具就可以定位。
    TTIr模式的优点还包括速度和适应性，TTlr模式一般周期为3～5s，而热板焊接一般周期需要10～30s，显然TTIr要快得多。如果材料的光学性能允许红外／激光射线照射到准接合表面，使用TTIr模式甚至可以焊接形状复杂的无支撑内壁。这种几何形状的部件即使采用周期小于10s相对较快的振动焊接方法也很难焊接。
    TTIr方法最重要的优点是焊接质量，因为此过程是非介入性的，焊接件的外观一般非常优异。另外，没有激烈振动或大的加热区域，仅有焊接区域被加热和熔融。
    TTIr的一个局限性就是材料的适应性，要求所要焊接的其中一部分能相对透过红外线。由于市场上大多数的TTIr系统都采用波长为800～1050nm的红外线，所以大多数未填充高聚物都可以透过，然而像聚乙烯和聚丙烯等结晶性聚合物，更趋向于射线的内散射。通常这就将散射材料透明焊件的厚度限制在3～5mm。
    TTIr除了需要其中一个焊件透过红外线，另一个焊件吸收红外线。通常通过添加炭黑或其他红外吸收粒子来满足TTIr对材料透过和吸收红外线的要求。
    以下是TTIr的五个主要步骤：
(1)装载焊件  一般手工将焊件放到夹具上。通常只有一个下夹具，某些情况下，可以同时固定两部分焊件。
(2)施加压力  这一步由操作员启动，通常通过按下两个按钮来实现。然后将红外线源（经常称为焊接头）移入，对焊件施压并照射。
(3)施加红外线  红外线源和焊件适当定位后，红外线开始照射焊件，使熔合面(将要焊接表面)加热和熔融。加热时间通常由操作员预先设定。某些情况下，也可以预先设定熔融物的量和位移。
(4)夹紧／保持阶段  在这个阶段，焊件在预定压力下合在一起以确保熔融表面紧密接触。
(5)卸载部件  熔融层充分固化后，就可以取下焊件。
    表2为主要的TTIr焊接周期。

表2  主要的TTIr焊接周期

(三)  红外／激光铆接
    红外铆接常用于连接两种不能进行焊接的材料，例如，金属元件和热塑性元件的连接。也可以采用类似方法如超声波和热空气冷铆接，但常选用红外铆接，因为这种方法具有一些优点，其中一个优点是红外铆接产生的受热区域小，并且不在焊接件表面产生任何划痕。
图3为典型的红外铆接剖面图。图中不可焊接材料可以是金属、木材，甚至是与另一部分热塑性焊接件不相容的热塑性塑料。

图3  典型的激光铆接剖面图 

    图4为三个用于红外铆接的销钉。此处，带有三个夹具的焊接头可同时焊接三个销钉。
    红外铆接有单动作和双动作两种工作模式。在单动作模式中，红外射线通过空腔顶部的特殊玻璃透镜进行传播，该空腔决定铆接的最终形状。图5为这种操作模式的一般步骤。成型工具和红外线源没汁在一起，因此动作一次可以完成整个焊接过程。这样减小了工艺复 杂性，并加快了焊接速度。此外，熔融材料从透镜中挤出，露出销钉中新的没有熔融的材料。由于熔融物流动和热传导都有利于销钉的加热，可以进一步缩短焊接时间。

图4  典型的铆接应用

图5  单动作红外铆接的各个阶段

    红外铆接的单动作模式也可以使用位移或坍塌控制模式，使焊接周期具有高重复性。控制器可以测量焊接头和焊件刚接触时销钉的起始高度或位置，将这个位置记为起始或零点位置。然后控制器继续熔化促使销钉坍塌，直至达到预先设定的位移或坍塌量。
    然而，由于透镜的材质一般为下班或石英，在与流动的熔融塑料接触时，玻璃纤维或金属等填料会造成焊接头的过度磨损，所以填充塑料通常不推荐使用单动作模式焊接。
    如果要用红外铆接焊接填充材料，通常推荐采用双动作模式。图6说明了这种操作模式的一般步骤，成型头和红外光源设计为独立元件，因此需要两步完成焊接，这样成型头可以采用多种材料，包括硬质钢。由于热传导是唯一的导热方式，双动作模式一般周期较长。
    表3给出了红外铆接单动作和双动作步骤所需要的一般时间。

图6  双动作红外铆接的各个阶段

表3  典型的红外铆接周期

(四)  加热模式
    使用红外焊接时，红外线可采用三种基本方式照射焊接面：扫描、连续照射和遮掩焊接。
    扫描模式是在准焊接面上移动红外源。通常将焊接件固定在夹具中，然后用机械手或类似的简单自动控制装置移动红外光源。这种方法的一个主要优点是通过简单的重新编程，一台焊接没备可以适应多种焊接件。但是，这种方法的局限性是焊接面必须紧密接触，因为红外光源在焊件周围移动时，焊接面仅局部被加热，见图7。因此，除非材料比较柔软，局部变形可以使焊接面熔合在一起，否则结合面之间的任何间隙都会导致焊接空穴。两部分之间的间隙可能由模压弯曲、模压收缩、起模杆标识或空腔内的变化等原因引起。
    扫描焊接技术中，独立光束的直径一般为0．6～2．6mm，这样可以焊接如图8所示的复杂的图案。

图7  红外扫描和局部加热                              图8  用扫描法形成的典型焊缝

    基本的正方形、圆形、矩形或其他形状焊接面的焊接时间为2～5s。同时使用多个激光源可以进行批量焊接，提高焊接速度。
焊接正方形或有急弯或尖角形状时，塑料在拐角处的温度较高。可采用精确比例-积分-微分(P．I．D．)控制与单一光束法在光束通过复杂拐角时控制或降低光强度，这样可以消除过度焊接区，并确保整个焊接面的焊接宽度一致。
许多情况下，尤其是微流体或敏感装置，不允许材料有位移或坍塌，否则会影响流道尺寸或焊件的最终高度。扫描技术有一个固有优势，即焊件未熔化部分可以起到固定或机械制动作用，使焊件在焊接前后高度一致。因此，在不允许有坍塌或位移的应用中，可以采用扫描焊接。
    采用TTIr模式扫描焊接时，由于塑料加热熔融时产生热膨胀，因此可以焊封小空穴。可以完全焊封的空穴尺寸取决于焊接参数以及材料性能，如材料的热膨胀系数(CTE)等。图9为用ANSI(AWSGl标准)试样焊接成的焊接强度与缺陷尺寸的关系。可以看出，仅为0．25mm的很小缺陷，就会使焊接强度有很大损失。本研究中所用材料(脂肪族聚酮)为热膨胀系数较高(25～55℃时为1．9×10-5cm／cm／℃)的高结晶材料。
    使用红外扫描时，在焊接件表面移动的光源速度应保证光束可以在材料固化前返回到任何指定点，这样可使整个焊接面在焊接周期内熔融。除非焊件比较小，否则最小扫描速率要求光束必须采用电镀反射镜或非常快的自动系统传递。若采用电镀反射镜，为了保证光束从镜面反射后为平行光束，红外光源通常采用激光光源。这种模式的优点是可以向下熔融或坍塌，所以当熔融物的量合适时，可以焊封几乎任何大小的缺陷。这种方法的另一个优点是，一台设备可方便地重新编程，从而适用于多种焊件。但使用电镀反射镜时，焊接件表面必须相对平整，不能有阴影区。也就是说焊件的几何形状必须能保证使用旋转反射镜可以照射到整个焊接面。                              

图9  红外扫描焊接的焊接强度和焊接缺陷的关系

    TTIr第二种可能的加热模式是连续照射。这种模式的焊接过程中，会有几个红外源照射整个准焊接表面，见图10。对于高速扫描，焊件可以向下熔融，所以焊件的公差和装配并不重要。另外，复杂几何形状的焊件也可以焊接，而不会受阴影区的限制，也不存在 “溢流”问题。

图10  红外焊接连续照射                                    图11  TTIr遮掩焊接例子

    TTIr的另一种加热模式是遮掩焊接。这种技术采用一种独特的连续照射光帘照射遮幅框内或遮幅框外的部分，只熔融和焊接预先选定的区域。采用这种方法的例子见图11。这种方法尤其适用于焊接复杂的微观区域，可以焊接宽度仅有100µm的区域(图12)。光的强度、夹紧力和扫描速度 (激光扫过遮幅框或遮幅框组件在激光下移动的速度)之间的相互关系控制熔融物的量以及受照射边缘界限。图13为扫描速度与焊缝宽度之间的关系图。
    TTIr采用表面加热模式时，也有多种加热方法：扫描(高速)和连续照射[2]。连续照射表面加热的加热源与前面所述的TTIr热源类似。然而，由于表面加热依赖于准焊接面上的残余热量和熔融，不宜采用较慢的扫描速度。也就是说，只能采用较高扫描速度才能形成充分熔融层。这种情况下，常常用镜子将光束分开，同时照射两个焊件，见图14。通常通过旋转镜前后来回移动，将光束从一个二级镜子反射到另一个二级镜子。此外，可通过旋转次级光束来增加加热区域的宽度。

图12  用TTIr遮掩焊接的微小区域焊缝例子

图13  可能的焊缝宽度与扫描速度的关系图                            图14  扫描表而加热

(五)  红外焊接和裁切
    对于有些应用，主要是薄膜和织物，红外焊接不仅将两焊件焊封在一起，而且也还需要沿着焊缝边缘(或尖端)裁切。因为两个动作(焊接和裁切)合并到一步完成，可以提高生产效率。此外，与采用剪切机的机械裁切法相比，这种方法获得的裁切边缘通常经过灼烧，相对比较平滑，见图15。

图15  用激光裁切并密封的薄膜断面图

    红外焊接和裁切的局限性是产生烟尘。因为在有些情况下产生的烟尘和颗粒是有害的，所以设备设计时通常配有过滤系统,抽去空气中的所有颗粒或烟尘。关于激光裁切所产生的空气危害的其他信息，读者可参见仪器和放射健康中心（CDRH）[3]。