科技报告-应用于先进电子制造的金属与塑料激光焊接的关键技术和设备
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科技报告
报告名称：应用于先进电子制造的金属与塑料激光焊接的关键技术和设备
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报告类别：
编制单位：武汉凌云光电科技有限责任公司
编制时间：2017年7月
科技报告基本信息表
目录
目录 (4)
插图清单 (5)
附表清单 (7)
引言 (8)
1、概述 (8)
1.1金属与塑料焊接的市场需求 (8)
1.2 国外金属与塑料焊接发展动态及趋势 (11)
1.2.1 NMT技术 (11)
1.2.2 激光焊接技术 (13)
1.3 国内发展动态 (15)
1.4 湖北省相关产业发展现状及产业创新链建设需求分析 (16)
1.5 主要研究内容 (16)
2、塑料的特性及其焊接方法 (18)
2.1 塑料的特性 (18)
2.2 金属与塑料的焊接 (20)
3、金属表面微纳结构激光制造 (24)
3.1 金属表面处理激光毛化技术 (24)
3.2 金属表面微纳结构激光制造技术 (25)
3.3 短脉冲激光金属烧蚀机制 (27)
3.4 激光工艺与金属表面微结构形貌形成机制 (29)
4、金属与塑料的激光焊接 (32)
4.1 塑料与金属激光透射焊接方法 (33)
4.2 热传导塑料与金属激光焊接方法 (35)
4.3 整机设备的开发设计与系统组成 (36)
5、结论与建议 (39)
参考文献 (41)
插图清单
图1手机组件金属与塑料的一体化结合设计 (10)
图2塑料在汽车构造中的应用 (11)
图3NMT加工流程 (11)
图4NMT原理处理流程图 (12)
图5PPS树脂与不同金属类型的接合强度（NMT技术） (13)
图6碳纤维增强塑料和304不锈钢板LAMP焊接 (14)
图7通快公司激光焊接/连接金属与塑料材料 (14)
图8不锈钢与塑料激光深度处理后焊接效果 (15)
图9不锈钢与塑料激光处理焊接后拉力测试达到348N (16)
图10简明技术路线示意图 (17)
图11激光焊接镁合金与聚丙烯焊缝外部形貌 (20)
图12PP／改性PP板搭接尺寸和焊接位置 (20)
图13金属与塑料激光焊接的实验示意图 (22)
图14(A)为PET与奥氏体不锈钢的激光焊接接头和(B)为拉伸剪切试验后的试样 (22)
图15激光焊接实验装置示意图 (23)
图16二极管激光连接实验装置示意图 (23)
图17激光毛化轧辊表面微观结构 (25)
图18金属材料的激光深度表面处理 (26)
图19单脉冲低能量激光烧蚀金属表面形貌 (29)
图20“U”型坑槽对塑料与金属焊接强度的影响 (30)
图21单脉冲高能量激光烧蚀金属表面形貌 (30)
图22“V”型坑槽对塑料与金属焊接强度的影响 (31)
图23“凸”字型坑槽对塑料与金属焊接强度的影响 (31)
图24多脉冲序列作用烧蚀“凸”字型凹坑形成机制 (32)
图25金属表面“凸”字型凹坑形成效果 (32)
图26激光透射焊接实验装置示意图 (33)
图27PET塑料与金属焊接后破坏性撕裂放大效果 (34)
图28PET塑料与金属焊接后拉力测试 (34)
图29激光热传导焊接实验装置示意图 (35)
图30ABS塑料与金属焊接效果 (36)
图31整机装备开发的设计思路和系统功能组成 (37)
附表清单
表1整机开发对激光器的性能要求 (38)
表2激光表面微结构化处理设备配置列表 (38)
表3激光照射加热处理设备配置列表 (39)
应用于先进电子制造的金属与塑料激光焊接的关键技术和
设备
引言
引言部分论述有关研究背景、目的、范围、意义、相关领域的理论基础和分析、国内外研究进展，以及本研究设想、方法、实验设计、预期结果等。引言部分应独立成章，可以“引言”为章标题论述或另立更贴切的标题，引言较长可以分小节撰写。
激光技术及产业化是国家中长期发展规划20个重大专项之一，是“国家高技术产业化”的重要内容。本报告围绕激光产业中的关键性、基础性和带动性技术---高性能激光器件及系统集成课题进行系统研究，对我国现代电子产品的先进制造和产业创新能力提升具有重大战略意义和现实意义。
高功率半导体激光和半导体泵浦固体激光电-光转换效率高、寿命长、可靠性高、结构紧凑，能方便与自动化制造系统进行集成。近年在激光光束质量和功率方面有了显著进步，但围绕产业需求的关键技术攻关明显滞后应用市场发展。其中“金属与塑料的焊接技术”在众多应用领域需求巨大，而激光技术在该方向的应用研究尚处起步。
本报告围绕湖北省激光产业升级换代和可持续发展，针对先进电子制造领域的新需求，开展激光技术的创新研发。旨在解决“金属与塑料直接焊接”的关键工艺技术问题，开发出“金属与塑料激光直接焊接”的成套设备。本报告通过研究该焊接所必须的材料表面微纳结构和激光制造微纳结构的关键工艺；通过研制“高峰值功率、高光束质量、高平均功率”半导体泵浦脉冲激光器及表面微纳结构成型设备，及半导体激光器在金属与塑料直接焊接的工艺和设备，以突破现有制造工艺在技术和环保领域所存在的局限性，实现国内特别是湖北省高功率固体激光器及半导体激光器在金属与塑料材料焊接设备产业化“零”的突破。
1、概述
1.1金属与塑料焊接的市场需求
据工信部统计：2013年我国电子信息产业收入达到12.4万亿元，占全球比重超过50%。其中：手机产量规模更是达到14.6亿部，占全球比重80%以上；平板显示屏规模达1070亿元，在全球市场占有率提升至21.4%。
全球手机等电子产品的竞争已从配置蔓延到产品所具有的“气质”。在材料选择上，金属和塑料是目前手机上应用最广泛，也是在气质上最为对立的两种材料：金属造价昂贵、塑料造价低廉；金属不易加工、塑料易于成型；金属有信号障碍、塑料无信号影响；金属着色不易、塑料着色容易；金属修复难、塑料容易配等等。金属材质的突出特点是强度高，其抗拉，抗压及抗弯能力明显优于塑料，因此很多厂商即使不用金属来制作手机外壳，也会采用金属材料制作框体(如iPhone5c的聚碳酸酯外壳内有金属中框)。但正因为强度原因，金属加工难度相较塑料更高。一般塑料材质的成型仅需要一个模具就能完成，而金属材质就需要经过诸多切割、打磨工序。不仅在加工工艺上要求更高，加工时间也远远超过塑料。在需要快速反应的市场上，金属外壳很难占据优势。另外，手机金属材质的最大难点，突出反应在信号效果上（著名的iPhone4“天线门”事件）。目前采用金属外壳手机，均会选择其他非导体介质(如塑料)来对金属部分隔断。容易加工是塑料的最大优势，通过注塑和压制工艺，在大规模生产时占尽优势。金属材质美、光泽感、肌理效果构成了金属产品最鲜明、最富感染力并最具有时代感的审美特征。而塑料加工容易，通过一道工序获得任何复杂形状，且成本低廉。金属导热快，可以把处理器高负荷运转产生的热量尽快散发。所以现在全球主力电子厂商(如苹果、诺基亚)在手机等电子产品制造中大量同时使用金属和塑料。
未来电子产品发展趋势，是将金属与塑料材料的合理结合。目前，已经有一些厂商在逐渐地应用金属与塑料直接结合的技术，来替代单一使用某种材料的方法。比如，手机的框体是一个有高度薄壁化要求的应用领域。采用金属和塑料直接焊接技术，可实现不在金属壳体上打孔，只需将塑料焊接在金属壳体上就能形成复杂的塑料凸台，提高薄壁框体的设计自由度（如图1）。同时该工艺方法还可以帮助减少金属框体的机械加工工序，起到降低成本的作用。此外，在对气密性有高要求的电子产品领域，比如接插件、开关、继电器以及半导体封装等，部件的金属端子（leadframe引线框架）与塑料间的气密性要求高，如果将金属与塑料的焊接技术应用到这类产品上，可以获得具有优良的防水性、防潮性的金属嵌件成型制品。
图 1 手机组件金属与塑料的一体化结合设计
另外，在车载电子产品，甚至汽车产业的很多领域，金属与塑料焊接的应用也是划时代。汽车上可以使用塑料的部位很多，如图2所示。调查数据显示，汽车塑料用量平均占汽车总重的10%-20%。
图 2 塑料在汽车构造中的应用
欧盟新一轮汽车污染物监管标准出台：2015年欧盟汽车平均排放最多为130克CO2/公里。2020年这一数值必须减至95克CO2/公里。为降低排放，汽车零部件生产商们正在绞尽脑汁为汽车减重。车载电子产品、引擎罩，甚至车身板毫无疑问是减重的重点目标。将涉及大量金属与塑料的焊接需求。德国亚琛工业大学塑料加工研究所注塑专家Mathias Weber 表示，汽车业正在推动欧洲塑料研究的发展。Weber 认为：“塑料金属一体化设计”有利于实现汽车轻量化。减重的解决方案之一是使用“一体化金属/塑料设计”。
综上所述，“金属与塑料一体化”设计和制造，是先进电子产品的发展趋势，“金属与塑料的有效连接”是一体化金属/塑料材料使用的必须前提。本项目建设不仅使依靠传统技术不可能实现变为可能，而且正在给产品制造技术带来质的变化。
1.2 国外金属与塑料焊接发展动态及趋势
激光技术在金属和塑料直接焊接领域的应用研究，全球尚处于起步。目前，日本、德国在金属与塑料的直接焊接技术研究方面进展处于领先。
1.2.1 NMT 技术
日本大成塑料公司开发了一种用于金属与塑料纳米模成结合的技术方法，即NMT(Nano Molding Technology)技术[1]。NMT 加工流程如图 3所示：先将金属表面经过纳米化处理后，塑胶直接射出成型在金属表面，让金属与塑胶一体成形，不但能够兼顾金属外观质感，也可以简化产品机构件设计，让产品更轻、薄、短、小，且较CNC 工法更具成本效益。
图 3 NMT 加工流程
如图 4所示，NMT 技术可以把薄金属表面的锈、油脂去除后，透过特殊溶液进行表面处理，金属材料因溶液腐蚀而生成多小孔层，再将一种称为T
液的化学小分子材料注入小孔将铝件放入
碱液中，浸
泡约1min 进
行脱脂。 将铝件浸泡在酸液中，进行中和。 将铝件放入T 液中浸泡，使其表面形成细微的粗糙度。凹面的直径为将铝件放入纯水中进行冲洗，让后进行干燥处理。
注塑
树脂通过注塑渗入处理后形成的凹坑里，树脂与金属紧密的结合在一
内。在清洗干燥后，放入模具内通过注塑在金属表面形成塑料器件。结合的作用来源于小孔内T 液和塑料发生酯胺聚合反应，形成“锚栓”效应，达到强固接合的目的。
图 4 NMT 原理处理流程图
金属基材(造型后) 碱处理(脱脂与清洗
)
清洗后干燥
酸处理(侵蚀出奈米孔洞
) T 处理(浸泡
) 干燥(待注塑)
NMT技术首先应用于铝与塑料接合，现已扩大应用于铜、镁合金。图5所示为PPS塑料与不同金属材料通过NMT技术结合后的剪切力测试数据。根据日本大成塑料对NMT技术产品指标，该方法对金属和塑料的结合垂直拉力强度测试范围150N/cm2-200N/cm2之间。
图 5 PPS 树脂与不同金属类型的接合强度（NMT技术）
1.2.2 激光焊接技术
日本大阪大学开发出激光辅助直接焊接金属和塑料（LAMP）的技术[2]。通过使用连续波（CW）Nd:YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器等，对不同金属与塑料材料进行了大量实验，能迅速而牢固地将钢、不锈钢、铝合金在内的金属与工程热塑性塑料（如聚酰胺PA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）接合起来。由于碳纤维增强塑料具有很高的强度对重量比（strength-to-weight ratio），和出色的抗腐蚀性能和优良的疲劳性能，因而受到了极大的关注。
图6显示了聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纤维增强塑料片材与304不锈钢板之间的激光搭接接头在做拉伸剪切试验前、后的情况。其中，碳纤维增强塑料片材厚度为3mm、宽度为20mm，具有较长的碳纤维，不锈钢板厚度为3mm、宽度为30mm。横截面的照片（见图6中的插图）显示了不锈钢中浅层小孔形成的激光焊道。此外，熔化区广泛分布在碳纤维增
强塑料片材中靠近接合面的区域。在图中我们可以观察到，黑色的碳纤维增强塑料片材粘结在304不锈钢板的底表面。
图 6 碳纤维增强塑料和304不锈钢板LAMP焊接
德国通快（TRUMPF）公司采用纳秒级半导体泵浦脉冲固体激光器，先对金属材料的表面进行毛化处理，然后再将塑料和毛化过的金属表面进行热连接，将金属与塑料焊接在一起，如图7所示。
图7 通快公司激光焊接/连接金属与塑料材料
1.3 国内发展动态
我国在“金属与塑料材料焊接”的激光技术研究和产业化方面发展较缓。广东工业大学、苏州大学等研究机构近年在该领域进行了一些有益的初步应用开发。如将PET塑料和医用纯Ｔi金属的焊接、PET薄膜与316L不锈钢薄板振镜扫描激光透射焊接等。除此以外，国内很少有文献反映对基于激光技术的金属与塑料材料之间的直接焊接进行系统研究。
武汉凌云光电科技有限责任公司长期专注先进电子制造领域的激光精细微加工应用。对金属与塑料材料激光直接焊接的技术可行性进行了较长时期的研究和论证，开展了大量实质性试验和应用尝试，已经形成初步的试验样品和论文资料。大量的试验证明，采用激光方式可以对金属与塑料进行直接焊接。比如：选用常见塑料（PET、PMMA）和不锈钢（304）进行实验：在不对金属做表面处理的情况下，直接将金属与塑料进行半导体激光加热焊接，不能使金属与塑料完成实质性连接，垂直拉力小于10N/cm^2，剪切力小于15kgf/cm^2；用中小功率激光采用振镜扫描，对金属表面进行单次微纳结构毛化，形成初浅的表面微结构，再进行激光加热焊接。此时可以形成连接强度稍强的结合，剪切力明显增强，但垂直拉力严重不足，垂直拉力小于50N/cm^2，剪切力小于75kgf/cm^2；进一步加深表面微结构的深度后，再进行激光加热焊接。此时可以形成连接强度明显增强的较为牢固的结合，剪切力也明显增强，且垂直拉力也比较大。焊接效果同金属表面微结构设计明显关联。
不锈钢与塑料激光处理后焊接效果如图8所示。垂直拉力测试方法如图9所示。
图8 不锈钢与塑料激光深度处理后焊接效果