塑料激光焊接的特點與金屬材料的激光焊接有較大的不同。本文論述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光設備，焊接工藝以及塑料激光焊接在工業生產中的應用。塑料激光焊接的工藝涉及焊接吸收劑、激光波長、被焊材料的特性和要求、加工系統控制軟件等等。
一、前言
　　自上世紀60年代問世以來，激光以其相干性好、能量密度高、準直性好等優異特性，在現代工業的各個方面得到了廣泛的應用。在材料加工領域，激光用來進行金屬材料的切割、焊接、表面相變硬化、合金化、熔覆、打孔、打標、輔助切削、直接制造、快速成形、清洗及微細加工等等。利用激光來焊接金屬材料有許多優越性：方便快捷、焊縫小、焊接影響區域小，對原材料性質和形態的改變均很小；易于實現數控控制，可以焊接形狀特殊的工件；激光能量集中、作用時間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統焊接工藝難以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受熱敏感的材料，等等。激光焊接在金屬材料加工中的應用越來越普遍，正逐步從特種加工轉變為常規加工工藝。
　　隨著石油的大規模開采使用和石油化工工業的高速發展，塑料作為一種工程材料，成本低廉、獲取方便（石油煉化工業的產品）、加工成型技術簡單快捷、成品重量輕、物理特性優良、能提供各種工程性能，其應用非常廣泛。塑料作為鋼鐵、鋁、鎂等金屬和其他一些非金屬材料在工程上的替代品，在工業制造和日常生活中的使用都越來越普遍。
　　當前，激光所能夠焊接的材料，除了傳統的金屬材料之外，其范圍正在逐步擴大，在例如陶瓷等非金屬材料上的使用也越來越多；而塑料作為有機材料的代表之一，也被用來作為激光焊接的對象，能夠用激光實現焊接的塑料必須是熱固性的。20世紀70年代，激光開始被應用到塑料焊接上;但直到20世紀90年代,才取得了大規模的工業應用。見于文獻報道的最早激光塑料焊接應用是在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（最大厚度為1.5毫米）。
　　直到目前，由于激光器技術的限制以及塑料材料本身固有的強度低、耐熱性差、易變形等特點，在塑料工業中，激光作為焊接工具還不是非常普遍；塑料激光焊接的成品，也僅僅限于包裝、醫療器械、微電子產品等方面。但是，隨著塑料材料和各種激光器及激光加工機的快速發展，塑料激光焊接技術的研究和應用也必將越來越廣泛。
二、塑料激光焊接的原理
　　塑料激光焊接的基本原理與金屬材料激光焊接的基本原理相近。激光作為一種焊接用熱源，具有準直性優良、光束能量密度高、作用區域小等優點。在焊接過程中，通過反射鏡、透鏡或光纖組成的光路系統，將激光器產生的光束聚焦于待焊接區域，形成熱作用區；在熱作用區中的塑料被融化；在隨后的凝固過程中，已融化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來。
　　由于被焊接材料具有本質上的不同，塑料激光焊接的特點和具體工藝與傳統金屬焊接也有比較大的差別。
三、塑料激光焊接的工藝
1．激光的波長
　　在金屬材料的激光焊接工藝中，一般采用YAG或者CO2激光作為光源，塑料焊接也不例外。隨著半導體材料工業的快速發展，半導體激光作為光源也漸漸得到了應用。
　　三者之中，由于易于獲得較大功率，前兩者在傳統的材料加工工業中的使用較為普遍；而由于塑料激光焊接對光源功率大小要求不高，但對可控性和易操作性要求較高，因此半導體激光在塑料焊接中也很有用武之地。
CO2、Nd:YAG和半導體激光三種光源的波長、最大功率、最小聚焦直徑等參數的典型值如下所列：
1．CO2激光：波長較長，為10.6微米，屬遠紅外波段，一般情況下塑料材料對這一波長的吸收情況好。目前最大輸出功率達50kW，轉化效率約10％，最小聚焦直徑約0.2～0.7mm。焊接塑料時熱作用區深度較深，適合于需要焊接較厚的塑料材料。CO2激光不能用光纖傳輸，只能$&*透鏡反射鏡組成的光學系統來構建剛性傳輸光路，從而影響激光頭的操作性。
2．Nd:YAG激光：波長較短，為1.06微米，屬近紅外區波長，不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW，轉化效率為3％，最小聚焦直徑0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特點是聚焦區域小，可以方便地通過光纖傳輸來構建光路，可將激光頭裝到機器人手臂上，實現焊接過程的數控和精密自動化；另一方面可以較好地透過上層的待焊接材料，到達下層待焊接材料或者中間層而被吸收，從而實現焊接。
3．半導體激光：波長0.8～1.0微米，最大輸出功率6kW，轉化效率30％，最小聚焦直徑0.5mm。由于其輸出輸出功率較小，適用于焊接激光功率要求較低的場合,如小型塑料器件的精密焊接。半導體激光能量轉化效率高,易于實現激光器的小型化和便攜化。
2．塑料材料
　　能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。
　　塑料激光焊接技術對被焊接塑料的要求為：在熱作用區內的材料，要求對激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區部分的材料，則要求對光波的透過性好，尤其在對兩件薄塑料件進行疊焊時更是如此。一般向熱作用區塑料中添加吸收劑可以達到目的。目前能夠使用激光焊接的單種成分塑料包括：
　　PMMA——聚甲基丙烯酸甲脂（有機玻璃），PC塑料，ABS塑料, LDPE－低密度聚乙烯塑料，HDPE－高密度聚乙烯塑料，PVC－聚氯乙稀塑料，Nylon 6－尼龍6，Nylon 66－尼龍66，PS－PS樹脂，等等。
　　上述各種塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡膠、纖維甚至紡織物都可以作為被焊接的對象。由于激光焊接具有傳統焊接不具備的熱作用區小、控制精確容易的特點，因此上述各種單體材料之間也可以進行焊接。
3．吸收劑
　　吸收劑的應用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。如前所述，塑料激光焊接的本質是將熱作用區的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實現塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。塑料自身能夠以較高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收劑的情況下，塑料對光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。
　　通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠將紅外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區的材料融化更快、效果更好。一些其他顏色的染料也能夠起到相同的吸收光波的效果。
　　英國焊接學會（TWI，The Welding Institute）研制出了一種對可見光透明的染料。用這種染料做吸收劑，可以得到透明的塑料焊縫。碳黑在吸收紅外波段的激光光波的同時，也吸收可見光波，這也是碳黑看起來為黑色的原因，用碳黑作吸收劑會使激光焊接焊縫顏色變深，與母材顏色不同。TWI研制出的對可見光透明的染料只吸收紅外波段的電磁波，不吸收可見光，因此看起來焊縫仍然是透明的。
很多情況下，塑料焊接要求成品美觀、精致，因此相比碳黑，對可見光透明的染料吸收劑非常受青睞。英國TWI的ClearWeld技術搭焊的兩片透明的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，也即有機玻璃）薄片；傳統碳黑吸收劑與采用TWI的ClearWeld技術的透明吸收劑所得到的不同效果。
　　添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過；二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區而被融化；三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。
4．其他參數
　　與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區就越大、越深，將導致材料過熱、變形、甚至損壞。應該根據需要融化的深度來選擇激光功率。
　　塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以達到750m/min。
5．軟件
　　激光焊接系統中，計算機軟件的作用是對激光頭的運動軌跡和速度、激光功率等一般性的工藝參數進行數字化控制，以達到提高加工速度和精度、改善加工質量的目的，這些與傳統的激光加工中的軟件控制并沒有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收劑的特殊作用，塑料激光焊接控制系統和加工系統又有其自身的特色。
　　TWI研究所結合其ClearWeld塑料焊接工藝，設計開發了計算預測吸收劑用量及用法的軟件。根據不同材料的厚度、顏色、吸收比率等，結合激光器的功率、光波透過率等參數，在焊接前用軟件計算吸收劑的用量和添加方法，再根據預測的用量添加吸收劑。
　　提供給軟件的輸入數據包括：塑料材料特性：種類、厚度、顏色；焊接數據：焊接區域形狀復雜程度、寬度、焊接速度；激光器特性：功率、紅外光透過率等。
　　經過計算和篩選，軟件給出的輸出結果包括：吸收劑種類、用量及要求的添加方式的列表，焊接過程中激光光波在上層材料中的能量損失。
軟件的計算結果與實際焊接測量的結果很接近，圖6為焊接后生成的熱影響區（HAZ）大小的計算值和實際測量值的對比，所用塑料材料為PMMA。
可見，軟件計算結果與實測結果非常接近。由于塑料激光焊接的規律性較強，有較好的可預測性，因此，采用軟件計算篩選方法預測結果是非常有效和可行的。
四、塑料激光焊接的應用
　　塑料激光焊接的綜合優點較多：速度快；焊接精度高；焊機自動化、精密數控實現方便；加工現場環境條件優于傳統焊接工藝；成本相對較低。因此，塑料激光焊接技術在以下領域得到了比較廣泛的應用：
1．醫療器械：某些特殊用途的醫用塑料器械產品，其形狀和產品結構構成要求必須用焊接的方法；
2．包裝工業：例如高級工業制成品的包裝，采用塑料薄膜焊接技術，可以得到加工高速、接縫可靠、外表美觀的塑料包裝。塑料質外包裝材料的激光焊接連接。塑料材料為熱塑性塑料和人造橡膠。
3．汽車零部件：當今汽車車身的大趨勢是力求減輕其重量，因此塑料、樹脂、特種玻璃等材料在汽車上得到了越來越廣泛的應用。而焊接是其中必不可少的工藝，激光焊接又是所有焊接工藝中較傳統工藝優勢最大、技術成熟、成本相對最低的一種。因此，激光焊接熱塑性塑料、合成樹脂、合成橡膠，以及一些特種玻璃等車用材料在汽車工業中應用較多。
4．電子器件產品封裝：電子器件產品的封裝技術對于焊接環境和工藝的要求非常嚴格，例如低塵埃量、低熱量、無強震動，封裝精度高、接縫可靠耐用、外表美觀等。封裝用的材料很大一部分就是塑料，因此塑料激光焊接同樣有很大的應用空間。
5．紡織品：激光焊接紡織品可以被稱作激光縫合。其接縫牢固可靠、加工速度快的優點非常適合縫合紡織品。一些防水服裝裝備和要求氣密性的裝備，都可以利用激光焊接來加工。
五、展望
　　金屬材料的激光焊接已經在諸如汽車工業等領域得到了較廣泛的應用，激光焊接新材料（如塑料、玻璃、陶瓷、各種有機物等）的研究正方興未艾，尤其是不同材料之間的復合焊接，更成為研究和應用的熱點。激光焊接塑料具有低成本、高速度、加工方便、實現精密數控容易、原材料適用范圍廣、接合性和工藝性好等綜合優勢，隨著塑料焊接工藝研究和塑料激光焊接設備的逐步商品化，塑料激光焊接的應用必將越來越廣泛，技術越來越成熟。其產品也將很快走進我們日常生活的方方面面。

一. 激光焊接的流程和方法

　　激光對熱塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法對被焊接的兩種材料性質有一定的要求，也就是上面的熱塑層對采用的激光波長是透明的，而下面的熱塑層能吸收激光能量。激光束透過透明的上層材料到達下層材料，下層材料的表面因吸收激光能量而熔化，此時在一定的壓力下兩種材料通過分子聯接而被焊接在一起。由于激光是非機械接觸的聚焦在下層材料的表面，激光引起的熱效應是局域的，所以此方法可避免對被焊接材料的機械和熱損傷。目前熱塑材料總加工的20%左右是基于激光焊接的。

　　根據不同的焊接任務和要求激光焊接的流程大致有以下幾種。

　　輪廓焊接是最簡單，目前使用最廣的焊接流程。在焊接時激光束通過光學系統和振鏡在被焊接的物體上移動或者激光束靜止而被焊接物體移動。激光與被焊接物體之間的相互作用時間取決于光束焦點尺寸和移動速度，既而影響焊接時間和效果。輪廓焊接是一種非常靈活的焊接流程，可實現復雜的三維焊接，在包裝行業里有廣泛的應用。
    掩模焊接是一種借助掩模，基于輪廓焊接或著同步焊接方法的流程，其原理與芯片制造上的光刻技術相似。這種流程主要使用在復雜的幾何焊接圖案上，最小接縫寬度大于100μm。掩模往往是由薄片或金屬化的玻璃制成。由于制作掩模比較繁瑣，所做的掩模只針對一個焊接幾何圖案，所以掩模焊接往往缺乏靈活性，但適合大批量的焊接加工。

　　準同步焊接是一種把輪廓焊接和同步焊接結合起來的流程。激光束通過振鏡以極快的最高達10m/s的速度在焊縫上移動并且多次重復掃描，使得整個焊接區域同時熔化，效果與同步焊接相似。通過同步熔化過程使得準同步焊接和同步焊接方法一樣適合于具有大縫隙的兩個相鄰部件的搭橋焊接。

　　在同步焊接中激光束同時照射焊接區域，從而明顯減少了焊接處理時間，并允許搭橋焊接具有大縫隙的兩個相鄰部件。與輪廓焊接相比由于更長的激光作用時間使通過同步焊接方法焊接的部位更加牢靠。

　　二. 焊接塑料的顏色

　　激光塑料焊接其中的一個研究課題就是兩個被焊接部件的顏色搭配，這是由所采用的激光透射焊接的原理所決定的。下圖顯示了因材料顏色的不同而造成的焊接難易程度。首先成功實現的是透明色–黑色材料的激光焊接。除此之外黑色–黑色材料的焊接也已廣泛使用。

　　由于組成塑料的高分子的本怔吸收帶通常位于紫外和遠紅外區域，所以最初只有CO2激光器被用于激光焊接的研究。但是通過攙雜和添加色素可極大地改變塑料的光學吸收特性，從而使塑料在可見光和近紅外區域的吸收大大增強，由原本激光透明的材料變成激光吸收材料，這樣傳統的Nd: YAG固體激光器(1064nm和倍頻532nm)和大功率GaAs半導體激光器(800nm-1000nm)以及新型光纖激光器都可以被用作激光焊接的光源。色素攙雜同時也改變了原來塑料焊接的特性和參數，使之更適合于某種特殊應用。

　　三. 被焊接材料的搭配

　　與材料顏色搭配幾乎同時進行研究的是焊接材料的搭配。目前在工業上采用激光焊接的材料大部分是熱塑材料(Thermoplastic, TP)，構成TP–TP焊接。由于采用的激光透射焊接是非接觸性的，所以這些熱塑材料也可以與其它材料焊接到一起，比如同樣具有熱塑性的合成橡膠(Thermoplastic Elastomer, TPE)。具有熱塑性的合成橡膠因為同時具有熱塑材料的熱塑性和合成橡膠的彈性和伸縮性，而它的焊接處理溫度和冷卻時間等參數又與熱塑材料非常相似，所以用激光透射焊接的方法可容易實現TP–TPE焊接。由于TPE的手感和摩擦性好，所以TP–TPE焊接在汽車工業上的第一個應用就是制造汽車方向盤。此外 ，TPE和TPE也可通過激光透射焊接的方法被焊接到一起，組成TPE– TPE焊接。

    目前材料搭配研究的一個最新方向是實現塑料與金屬和陶瓷材料的激光焊接。比如說塑料通過金屬被激光間接地加熱，接觸面熔化，然后包圍金屬，和金屬組成一個非常牢固的連接。

    方圓半導體激光焊接機在一種透明塑料和一種不透明塑料焊接中應用，YAG焊接機在金屬領域應用。

方圓激光www.www-469300.com

2015-0511