塑料激光焊接的介紹指南

激光是連接板材、薄膜和模具的熱塑性塑料和紡織品非常有魅力的工具。它們所具有的特性，能夠正確、迅速地將控制能量直接到達(dá)所需焊接的正確部位。

激光具有不同的波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)對(duì)光與塑料材料的相互作用有很大影響。這個(gè)過(guò)程的性質(zhì)取決于塑料的種類，厚度和添加劑的含量。形狀復(fù)雜，可采用定位分辨率高，寬度小于100μm的激光焊接，因此，可采用不同材料加工設(shè)備加工成各種類型的產(chǎn)品，包括導(dǎo)管、微流控制裝置、管道、包裝、電子產(chǎn)品盒、充氣裝置等。

　　■塑料類型

熱塑性塑料由長(zhǎng)鏈分子聚合物在一定溫度以上制成，可重新加工成不同形狀或焊接。與其他不能熔化的熱固性聚合物不同，熱塑性塑料的分子鏈不是交聯(lián)的，沒(méi)有剛性網(wǎng)絡(luò)。在高溫下，分子可以自由移動(dòng)，材料可以像液體一樣流動(dòng)。工業(yè)塑料的熔化或軟化溫度在120-343℃之間。熱塑性塑料可分為半結(jié)晶型(外觀像牛奶型)和非結(jié)晶型(玻璃化型)。半結(jié)晶是一些被非結(jié)晶材料包圍的小結(jié)晶。這些結(jié)晶體會(huì)折射光，改善外觀，限制激光輻射的傳輸。反過(guò)來(lái)又限制了透射激光焊接的最大厚度。有些塑料可以用兩種材料制成，但通常做不到。比如聚乙烯、聚丙烯、尼龍、聚丙烯和聚醚酮，而聚苯乙烯是半結(jié)晶的，而聚苯乙烯和聚苯乙烯是聚苯乙烯。

圖1:聚丙烯材料中的激光透射焊接表明，熔融區(qū)域非常均勻地影響炭黑填充和未著色均勻的影響，所有剩馀能量都立即被黑色材料表面吸收(圖像由TWI提供)。

■激光類型和塑料的相互作用

不同的應(yīng)用和各種類型的激光的相互作用大大依賴于激光產(chǎn)生的波長(zhǎng)，決定了塑料吸收能量的形式。

最常見(jiàn)的激光焊接形式是透射法，在這種情況下，激光束穿過(guò)零件上方，到達(dá)零件下方的表面，在這里加熱，發(fā)生熔化。使用的激光波長(zhǎng)范圍在750-1500nm之間，由二級(jí)光、光纖、摻有鎳的鋁石榴石激光棒(Nd:YAG)激光產(chǎn)生。一般來(lái)說(shuō)，塑料對(duì)這種輻射波長(zhǎng)的吸收不如紫外線或中紅外輻射。這個(gè)范圍內(nèi)的能量吸收水平很大程度上取決于塑料中添加劑的使用，塑料是半結(jié)晶還是非結(jié)晶。如果塑料中不含填料或顏料，激光可以滲透到幾毫米的半結(jié)晶塑料中，但在無(wú)定形塑料中幾乎不會(huì)衰減?？梢酝ㄟ^(guò)顏料或填料等添加劑，尤其是炭黑顏料來(lái)提高對(duì)激光的吸收水平。

自1.6μm以上的波長(zhǎng)以來(lái)，天然無(wú)著色塑料對(duì)激光輻射的吸收程度逐漸提高，直到5μm以上的IR其對(duì)波長(zhǎng)的吸收程度也十分強(qiáng)烈。在光纖激光或摻合-YAG激光產(chǎn)生的波長(zhǎng)為2μm的激光中，所有塑料(無(wú)論是半結(jié)晶還是非結(jié)晶)材料是半結(jié)晶還是非結(jié)晶)材料上方的幾毫米處。無(wú)需其他能量吸收器的幫助，可直接焊接數(shù)毫米厚的片材。這種激光叫做直接激光焊接，因?yàn)榧す馐恍枰┻^(guò)上面的零件才能到達(dá)焊接線。直接激光焊接技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于塑料連接，但其潛力很大。

二氧化碳激光是一種成熟的材料加工工具，常用于切割塑料薄膜、片材和織物。二氧化碳激光輻射能量(波長(zhǎng)10.6μm)能被各種塑料表層迅速吸收。在激光束指向的地方，首先要加熱0.2mm厚的塑料，對(duì)于薄的塑料薄膜，即使是功率中等的激光(<1000W)，也有望快速加熱，快速完成焊接。焊接速度可超過(guò)1000m/min。

　　■透射激光焊接

1985年，透射激光焊接技術(shù)首次見(jiàn)諸報(bào)道，在IR可透射塑料材料的上部和填充炭黑的塑料零件的下部進(jìn)行。炭黑吸收激光束的能量并加熱，在兩個(gè)零件的界面上形成焊接。一方面，由于零件必須是黑色的，零件必須是黑色的，但仍然是最常用的激光焊接方法。零件的上部必須是激光能量的一部分(通常超過(guò)10%)，這樣下部零件的表面就會(huì)優(yōu)先受熱(圖1)。圖片中兩種材料的熔融深度基本相同，說(shuō)明黑色表面的熱點(diǎn)非常集中。黑色表面在零件中就像加熱元件一樣，為周圍零件提供快速加工，盡量減少熱損，最大限度減少連接點(diǎn)的變形或污染。

一九九八年激光焊接用替代能量吸收器的到來(lái)，使接縫的顏色不再那么明顯。一個(gè)例子是Clearweld，它是一種IR吸收型顏料，類似于其他可見(jiàn)型顏料，它可以通過(guò)噴涂、印刷、墊子、針頭或筆對(duì)接縫進(jìn)行涂色，或者添加到接縫下面(圖2)。圖3是將能量吸收器放置在兩個(gè)透明PMMA部件連接表面之間而焊接的部件?，F(xiàn)在幾乎所有的顏色混合都可以通過(guò)透射激光焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。塑料含量高的填料會(huì)產(chǎn)生主要問(wèn)題，因?yàn)樯厦娴牟糠植辉试S激光束穿過(guò)連接部分。這種情況下，必須減少填料或改變粒徑，減少光線的散射或考慮采用其他焊接工藝。

透光激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域包括:醫(yī)療器械、包裝、汽車零件、消費(fèi)品、電子包裝、紡織品。

這種技術(shù)在紡織品中的應(yīng)用非常有趣。該工藝為僅連接表面而不是外表面的紡織品提供了新的焊接方法。這樣，一些纖維就不會(huì)熔化，織物的強(qiáng)度也不會(huì)改變，通常柔韌性也不會(huì)改變。圖3:用IR吸收器焊接透明PMMA的容器。激光束導(dǎo)向容器壁下方，焊接痕跡幾乎看不見(jiàn)。

該工藝還延伸到纖維增強(qiáng)聚合復(fù)合材料中，其中復(fù)合基材經(jīng)激光源加熱熔融，纖維增強(qiáng)材料在此過(guò)程中保持不變。

透射激光焊接可用于玻璃纖維和聚合物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和填充劑含量低的基材。使用碳纖維，或者基材為黑色，或者填充劑的使用量高的情況下，可以使用直接激光焊接方法，不需要激光束通過(guò)零件。

■直接激光焊接

當(dāng)激光能量未經(jīng)選定的輻射波長(zhǎng)或材料類型穿透時(shí)，就會(huì)在塑料上表面熔化。相應(yīng)的連接方法叫做直接激光焊接。二氧化碳激光首先用于這個(gè)過(guò)程。薄膜的焊接有望達(dá)到很高的速度?？梢?jiàn)各種塑料薄膜以1200m/min的速度焊接的例子。通過(guò)控制激光束的功率分配，可以切割兩個(gè)相互接觸的塑料薄膜，同時(shí)在切割邊緣留下焊接區(qū)域，從而在包裝或制袋過(guò)程中完成切割/密封。

對(duì)于厚度為0.2-5毫米的塑料，傳統(tǒng)的焊接(圖4)和其他類型的焊接(圖4)可以用波長(zhǎng)為2-3μm的激光源連接。不需要額外的吸收器，但要控制塑料的透射性，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定一致。

■總結(jié)

高分子產(chǎn)品可采用各種加工機(jī)制(輻射波長(zhǎng)與材料相匹配)和不同類型的設(shè)備，如龍門架、機(jī)器人、掃描器或固定二級(jí)管陣列進(jìn)行激光焊接。該激光提供高效能源，精確加熱，局部熔化。焊接工作速度快，強(qiáng)度高，外形美觀。

采用非常緊湊的二級(jí)管和光纖激光源，可以獲得高效的焊接工藝，易于實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)化，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域和產(chǎn)品類型。