金屬與塑料激光焊接技術研究進展

田文文

（國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心，四川 成都 610213）

激光焊接在材料加工領域占據重要的地位，傳統的激光焊接主要在金屬材料之間進行，然而隨著的技術的發展進步，異種材料之間的激光焊接也成為重要的突破方向，本文主要研究金屬與塑料的激光焊接技術。

塑料實際上是一種聚合物，激光直接連接金屬和聚合物的原理主要是通過激光照射金屬產生高溫并通過熱傳導到達聚合物，在聚合物臨近連接界面處產生熔化區域，并在其內部激發微小氣泡，氣泡的產生或快速膨脹產生高的內壓使得熔化的聚合物與金屬的表面緊密的貼在一起，同時推動熔融的聚合物流入金屬，因其表面粗糙，結果在金屬與聚合物之間產生物理連接（范德華力）、機械連接（稱為錨固效應）或化學連接。以下分別從不同角度介紹焊接中幾個重點技術。

1 焊接材料

2007年，大阪大學的片山圣二（S. Katayama）等人首先對以SUS304不銹鋼和非結晶PA6（聚酰胺6）為材料，采用YAG激光器驗證了金屬與塑料的激光直連可行性，并第一次提出LAMP（激光輔助的金屬與塑料焊接技術）[1]，目前已經證明了多種金屬與塑料的焊接是可行的。例如SUS304不銹鋼和PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯），這二者之間可以產生金屬-Cr-O-聚合物之間的化學連接，再如鍍鋅鋼片與PAN（聚丙烯腈型）CFRP（碳纖維增強塑料），可以產生合金與塑料之間的接合。國內的江蘇大學也較早開始了金屬與塑料的焊接研究，Xiao Wang等[2]采用了鈦與PET進行焊接，分析發現形成了Ti-C化學鍵，在研究中采用了較低的焊接功率，并增加了夾緊力。

不同材料之間的連接效果也不盡相同，就聚合物材料而言，由于不同聚合材料在接受熱量后形成的氣泡體積、數量、大小都有所區別，直接影響了焊接面積和焊接強度，例如Yukio MIYASHITA等人發現PET和PC與SUS不銹鋼的可焊接范圍有所不同[3]，就金屬而言，不同的金屬對激光的吸收度以及熱傳導率不一樣，這直接導致了焊接面積大小的不同，并且還影響了金屬焊接的失效加載力，長岡大學的團隊就使用了三種不同的金屬，即銅、SUS304不銹鋼和A5052合金在同等條件下與PET進行激光焊接，實驗發現，同等條件下PET/SUS304焊接強度最大[4]。

2 激光器

在金屬與塑料的焊接中，激光器的選擇尤為重要，不同激光器產生的方式、光束和使用的功率范圍都不相同，目前采用以下幾種激光器：

2.1 Nd:YAG激光器

即釔鋁石榴石晶體，釔鋁石榴石晶體為其激活物質，屬固體激光，可激發脈沖激光或連續式激光，發射之激光為紅外線波長1.064μm，產生的光為單色光。

2.2 半導體激光器

半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質的激光器。常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。即半導體激光器可實現脈沖和連續兩種工作模式。

YAG激光器具有錐形光束而半導體激光器可以產生線性光束，從塑料一側開始照射，均可以實現金屬與塑料的焊接，調節YAG激光器的焦距可以改變接合的力度，半導體激光器可以大大提高接合強度，高功率連續激光束可以產生更深的滲透，江蘇大學采用近紅外二極管激光器對鈦和PET進行焊接，獲得了直徑為900μm的焊接區域[4]。

2.3 飛秒激光器

飛秒激光器是一種超短脈沖激光器，目前，在金屬焊接領域的使用并不廣泛。Tomokazu Sano等人在2013年采用飛秒激光器也實現了金屬與塑料的焊接，研究還發現脈沖間的距離和線之間的距離對焊接強度有較大影響[5]。

3 焊接工藝優化

在焊接的過程中，很多工藝因素會對焊接強度產生影響。激光焊接主要依賴的是熱量的輸入，因此熱量對提高焊接強度其主導作用。主要表現為：a、焊接時隨著功率的增加，拉力會出現升高的峰，隨后在某一點下降，同樣的焊接的速度也有類似的影響；b、接合部的比例增加，接合強度也相應增加。上述研究也證明了，盡管熱量的輸入占據主導因素，但是并不是輸入熱量越大焊接效果就越好，焊接強度曲線存在一個飽和位點。

此外，激光照射的方式也具有影響，目前廣泛采取的是激光從塑料側面照射的方式，這能夠使得激光束直接照射到組裝部位，瞬間產生很高的熱量，改善連接的強度。

另外，還存在其它影響焊接的因素。2011年，片山圣二等人研究發現：a、激光引起的羽化現象。激光照射金屬時會產生羽化現象，其中高羽會造成淺焊；b、激光吸收。當光束越小、能量越高或者焊接速度越低時，光吸收就會越高，當激光射入時會出現一種“鑰匙孔”結構，根據不同的焊接速率，鑰匙孔與熔化池會有不同的大小，這種大小影響了光的吸收，從而影響焊接效果[6]。Yukio Miyashita等研究發現，氣泡的狀態會因施加的力的大小和頻率而改變，施加適度的靜態力可以抑制氣泡的擴張，有利于焊接強度的提升；施加周期的接觸力則會使氣泡快速流動，使得氣泡密度降低，其焊接強度相對于靜態壓力較小[7]，因此，施加不同作用力對于提高焊接強度又提出一種新的手段。

江蘇大學首次通過數學模型對影響焊接強度的因素進行了分析，包括激光功率、焊接速度、距離等，將接合強度與激光功率成正比到達某點后成反比的線性關系、焊接速度與接合強度成反比的關系等定性結論通過定量分析得以驗證[8]。

4 表面預處理

大量實驗證明，在金屬與塑料焊接時，塑料會受熱分解或融化，如果金屬表面是粗糙的，或者有一定的微結構，則這部分流動的塑料會進入金屬的這些粗糙部位，待迅速冷卻后，塑料便會停留在這些微結構中，產生錨化作用，因此，很多研究者開始針對金屬表面進行處理，希望得到理想的表面微結構，增加焊接的強度，這些處理包括物理、化學等手段。由于金屬表面一般都存在氧化層，其對金屬與塑料的連接可能會造成影響，Wahba M[9]等人采取了焊接前的預處理措施，首先對金屬樣品AZ91D進行摩擦去除表面氧化層，再使用丙酮清洗，然后采用激光對金屬樣品進行表面處理，通過這樣的預處理增強了結合強度，此外，研究者們還開發了對聚合材料使用紫外-臭氧[10]等方法，不同的預處理方式造成的孔洞不同，更深的孔洞當然能夠更深的錨化。

5 結語

針對金屬與塑料的激光焊接已經開展了廣泛的嘗試，今后可以重點關注應用于航空、生物等領域的重點材料；激光器的選擇以及焊接工藝的優化還有很大的嘗試空間，可以加入集成式系統的技術以便形成工業化的量產系統；表面的處理除了傳統的化學和物理方法之外，通過分子層面的材料表面修飾等也能夠給出很好的思路。金屬與塑料的激光焊接技術的進一步發展必定能夠在新興制造領域帶來驚喜的效果。