塑料激光焊接的特點(diǎn)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(shè)備，焊接工藝以及塑料激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。塑料激光焊接的工藝涉及焊接吸收劑、激光波長(zhǎng)、被焊材料的特性和要求、加工系統(tǒng)控制軟件等等。
一、前言
　　自上世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，激光以其相干性好、能量密度高、準(zhǔn)直性好等優(yōu)異特性，在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。在材料加工領(lǐng)域，激光用來(lái)進(jìn)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(biāo)、輔助切削、直接制造、快速成形、清洗及微細(xì)加工等等。利用激光來(lái)焊接金屬材料有許多優(yōu)越性：方便快捷、焊縫小、焊接影響區(qū)域小，對(duì)原材料性質(zhì)和形態(tài)的改變均很小；易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控控制，可以焊接形狀特殊的工件；激光能量集中、作用時(shí)間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統(tǒng)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(yīng)用越來(lái)越普遍，正逐步從特種加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)加工工藝。
　　隨著石油的大規(guī)模開(kāi)采使用和石油化工工業(yè)的高速發(fā)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(yè)的產(chǎn)品）、加工成型技術(shù)簡(jiǎn)單快捷、成品重量輕、物理特性優(yōu)良、能提供各種工程性能，其應(yīng)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(yè)制造和日常生活中的使用都越來(lái)越普遍。
　　當(dāng)前，激光所能夠焊接的材料，除了傳統(tǒng)的金屬材料之外，其范圍正在逐步擴(kuò)大，在例如陶瓷等非金屬材料上的使用也越來(lái)越多；而塑料作為有機(jī)材料的代表之一，也被用來(lái)作為激光焊接的對(duì)象，能夠用激光實(shí)現(xiàn)焊接的塑料必須是熱固性的。20世紀(jì)70年代，激光開(kāi)始被應(yīng)用到塑料焊接上;但直到20世紀(jì)90年代,才取得了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。見(jiàn)于文獻(xiàn)報(bào)道的最早激光塑料焊接應(yīng)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(shù)的限制以及塑料材料本身固有的強(qiáng)度低、耐熱性差、易變形等特點(diǎn)，在塑料工業(yè)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(yī)療器械、微電子產(chǎn)品等方面。但是，隨著塑料材料和各種激光器及激光加工機(jī)的快速發(fā)展，塑料激光焊接技術(shù)的研究和應(yīng)用也必將越來(lái)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(zhǔn)直性優(yōu)良、光束能量密度高、作用區(qū)域小等優(yōu)點(diǎn)。在焊接過(guò)程中，通過(guò)反射鏡、透鏡或光纖組成的光路系統(tǒng)，將激光器產(chǎn)生的光束聚焦于待焊接區(qū)域，形成熱作用區(qū)；在熱作用區(qū)中的塑料被融化；在隨后的凝固過(guò)程中，已融化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來(lái)。
　　由于被焊接材料具有本質(zhì)上的不同，塑料激光焊接的特點(diǎn)和具體工藝與傳統(tǒng)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(zhǎng)
　　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(dǎo)體材料工業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體激光作為光源也漸漸得到了應(yīng)用。
　　三者之中，由于易于獲得較大功率，前兩者在傳統(tǒng)的材料加工工業(yè)中的使用較為普遍；而由于塑料激光焊接對(duì)光源功率大小要求不高，但對(duì)可控性和易操作性要求較高，因此半導(dǎo)體激光在塑料焊接中也很有用武之地。
CO2、Nd:YAG和半導(dǎo)體激光三種光源的波長(zhǎng)、最大功率、最小聚焦直徑等參數(shù)的典型值如下所列：
1．CO2激光：波長(zhǎng)較長(zhǎng)，為10.6微米，屬遠(yuǎn)紅外波段，一般情況下塑料材料對(duì)這一波長(zhǎng)的吸收情況好。目前最大輸出功率達(dá)50kW，轉(zhuǎn)化效率約10％，最小聚焦直徑約0.2～0.7mm。焊接塑料時(shí)熱作用區(qū)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(xué)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)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(zhǎng)較短，為1.06微米，屬近紅外區(qū)波長(zhǎng)，不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)化效率為3％，最小聚焦直徑0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特點(diǎn)是聚焦區(qū)域小，可以方便地通過(guò)光纖傳輸來(lái)構(gòu)建光路，可將激光頭裝到機(jī)器人手臂上，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的數(shù)控和精密自動(dòng)化；另一方面可以較好地透過(guò)上層的待焊接材料，到達(dá)下層待焊接材料或者中間層而被吸收，從而實(shí)現(xiàn)焊接。
3．半導(dǎo)體激光：波長(zhǎng)0.8～1.0微米，最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)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(chǎng)合,如小型塑料器件的精密焊接。半導(dǎo)體激光能量轉(zhuǎn)化效率高,易于實(shí)現(xiàn)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(shù)對(duì)被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對(duì)激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對(duì)光波的透過(guò)性好，尤其在對(duì)兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)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(jī)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(shù)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(duì)象。由于激光焊接具有傳統(tǒng)焊接不具備的熱作用區(qū)小、控制精確容易的特點(diǎn)，因此上述各種單體材料之間也可以進(jìn)行焊接。
3．吸收劑
　　吸收劑的應(yīng)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(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)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(duì)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?qū)⒓t外波長(zhǎng)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(qū)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(guó)焊接學(xué)會(huì)（TWI，The Welding Institute）研制出了一種對(duì)可見(jiàn)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(shí)，也吸收可見(jiàn)光波，這也是碳黑看起來(lái)為黑色的原因，用碳黑作吸收劑會(huì)使激光焊接焊縫顏色變深，與母材顏色不同。TWI研制出的對(duì)可見(jiàn)光透明的染料只吸收紅外波段的電磁波，不吸收可見(jiàn)光，因此看起來(lái)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(duì)可見(jiàn)光透明的染料吸收劑非常受青睞。英國(guó)TWI的ClearWeld技術(shù)搭焊的兩片透明的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，也即有機(jī)玻璃）薄片；傳統(tǒng)碳黑吸收劑與采用TWI的ClearWeld技術(shù)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(yīng)該將滲過(guò)吸收劑的塑料件放在下面，而把沒(méi)有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過(guò)；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(qū)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(shù)
　　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(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過(guò)熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來(lái)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(dá)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(dá)到750m/min。
5．軟件
　　激光焊接系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)軟件的作用是對(duì)激光頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度、激光功率等一般性的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化控制，以達(dá)到提高加工速度和精度、改善加工質(zhì)量的目的，這些與傳統(tǒng)的激光加工中的軟件控制并沒(méi)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(tǒng)和加工系統(tǒng)又有其自身的特色。
　　TWI研究所結(jié)合其ClearWeld塑料焊接工藝，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了計(jì)算預(yù)測(cè)吸收劑用量及用法的軟件。根據(jù)不同材料的厚度、顏色、吸收比率等，結(jié)合激光器的功率、光波透過(guò)率等參數(shù)，在焊接前用軟件計(jì)算吸收劑的用量和添加方法，再根據(jù)預(yù)測(cè)的用量添加吸收劑。
　　提供給軟件的輸入數(shù)據(jù)包括：塑料材料特性：種類、厚度、顏色；焊接數(shù)據(jù)：焊接區(qū)域形狀復(fù)雜程度、寬度、焊接速度；激光器特性：功率、紅外光透過(guò)率等。
　　經(jīng)過(guò)計(jì)算和篩選，軟件給出的輸出結(jié)果包括：吸收劑種類、用量及要求的添加方式的列表，焊接過(guò)程中激光光波在上層材料中的能量損失。
軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際焊接測(cè)量的結(jié)果很接近，圖6為焊接后生成的熱影響區(qū)（HAZ）大小的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比，所用塑料材料為PMMA。
可見(jiàn)，軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。由于塑料激光焊接的規(guī)律性較強(qiáng)，有較好的可預(yù)測(cè)性，因此，采用軟件計(jì)算篩選方法預(yù)測(cè)結(jié)果是非常有效和可行的。
四、塑料激光焊接的應(yīng)用
　　塑料激光焊接的綜合優(yōu)點(diǎn)較多：速度快；焊接精度高；焊機(jī)自動(dòng)化、精密數(shù)控實(shí)現(xiàn)方便；加工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件優(yōu)于傳統(tǒng)焊接工藝；成本相對(duì)較低。因此，塑料激光焊接技術(shù)在以下領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用：
1．醫(yī)療器械：某些特殊用途的醫(yī)用塑料器械產(chǎn)品，其形狀和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)成要求必須用焊接的方法；
2．包裝工業(yè)：例如高級(jí)工業(yè)制成品的包裝，采用塑料薄膜焊接技術(shù)，可以得到加工高速、接縫可靠、外表美觀的塑料包裝。塑料質(zhì)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(dāng)今汽車車身的大趨勢(shì)是力求減輕其重量，因此塑料、樹(shù)脂、特種玻璃等材料在汽車上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(tǒng)工藝優(yōu)勢(shì)最大、技術(shù)成熟、成本相對(duì)最低的一種。因此，激光焊接熱塑性塑料、合成樹(shù)脂、合成橡膠，以及一些特種玻璃等車用材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用較多。
4．電子器件產(chǎn)品封裝：電子器件產(chǎn)品的封裝技術(shù)對(duì)于焊接環(huán)境和工藝的要求非常嚴(yán)格，例如低塵埃量、低熱量、無(wú)強(qiáng)震動(dòng)，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(yīng)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(yōu)點(diǎn)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(lái)加工。
五、展望
　　金屬材料的激光焊接已經(jīng)在諸如汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用，激光焊接新材料（如塑料、玻璃、陶瓷、各種有機(jī)物等）的研究正方興未艾，尤其是不同材料之間的復(fù)合焊接，更成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。激光焊接塑料具有低成本、高速度、加工方便、實(shí)現(xiàn)精密數(shù)控容易、原材料適用范圍廣、接合性和工藝性好等綜合優(yōu)勢(shì)，隨著塑料焊接工藝研究和塑料激光焊接設(shè)備的逐步商品化，塑料激光焊接的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛，技術(shù)越來(lái)越成熟。其產(chǎn)品也將很快走進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ�活的方方面面�?SPAN lang=EN-US>

一. 激光焊接的流程和方法

　　激光對(duì)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(duì)被焊接的兩種材料性質(zhì)有一定的要求，也就是上面的熱塑層對(duì)采用的激光波長(zhǎng)是透明的，而下面的熱塑層能吸收激光能量。激光束透過(guò)透明的上層材料到達(dá)下層材料，下層材料的表面因吸收激光能量而熔化，此時(shí)在一定的壓力下兩種材料通過(guò)分子聯(lián)接而被焊接在一起。由于激光是非機(jī)械接觸的聚焦在下層材料的表面，激光引起的熱效應(yīng)是局域的，所以此方法可避免對(duì)被焊接材料的機(jī)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(jù)不同的焊接任務(wù)和要求激光焊接的流程大致有以下幾種。

　　輪廓焊接是最簡(jiǎn)單，目前使用最廣的焊接流程。在焊接時(shí)激光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)和振鏡在被焊接的物體上移動(dòng)或者激光束靜止而被焊接物體移動(dòng)。激光與被焊接物體之間的相互作用時(shí)間取決于光束焦點(diǎn)尺寸和移動(dòng)速度，既而影響焊接時(shí)間和效果。輪廓焊接是一種非常靈活的焊接流程，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維焊接，在包裝行業(yè)里有廣泛的應(yīng)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(shù)相似。這種流程主要使用在復(fù)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(duì)一個(gè)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(zhǔn)同步焊接是一種把輪廓焊接和同步焊接結(jié)合起來(lái)的流程。激光束通過(guò)振鏡以極快的最高達(dá)10m/s的速度在焊縫上移動(dòng)并且多次重復(fù)掃描，使得整個(gè)焊接區(qū)域同時(shí)熔化，效果與同步焊接相似。通過(guò)同步熔化過(guò)程使得準(zhǔn)同步焊接和同步焊接方法一樣適合于具有大縫隙的兩個(gè)相鄰部件的搭橋焊接。

　　在同步焊接中激光束同時(shí)照射焊接區(qū)域，從而明顯減少了焊接處理時(shí)間，并允許搭橋焊接具有大縫隙的兩個(gè)相鄰部件。與輪廓焊接相比由于更長(zhǎng)的激光作用時(shí)間使通過(guò)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(gè)研究課題就是兩個(gè)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(shí)現(xiàn)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(yuǎn)紅外區(qū)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(guò)攙雜和添加色素可極大地改變塑料的光學(xué)吸收特性，從而使塑料在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域的吸收大大增強(qiáng)，由原本激光透明的材料變成激光吸收材料，這樣傳統(tǒng)的Nd: YAG固體激光器(1064nm和倍頻532nm)和大功率GaAs半導(dǎo)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?cái)v雜同時(shí)也改變了原來(lái)塑料焊接的特性和參數(shù)，使之更適合于某種特殊應(yīng)用。

　　三. 被焊接材料的搭配

　　與材料顏色搭配幾乎同時(shí)進(jìn)行研究的是焊接材料的搭配。目前在工業(yè)上采用激光焊接的材料大部分是熱塑材料(Thermoplastic, TP)，構(gòu)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?yàn)橥瑫r(shí)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(shí)間等參數(shù)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(shí)現(xiàn)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(yè)上的第一個(gè)應(yīng)用就是制造汽車方向盤。此外 ，TPE和TPE也可通過(guò)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(gè)最新方向是實(shí)現(xiàn)塑料與金屬和陶瓷材料的激光焊接。比如說(shuō)塑料通過(guò)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(gè)非常牢固的連接。

    方圓半導(dǎo)體激光焊接機(jī)在一種透明塑料和一種不透明塑料焊接中應(yīng)用，YAG焊接機(jī)在金屬領(lǐng)域應(yīng)用。

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2015-0511