塑 料 材 料 激 光 焊 接

主笔：秦风

自从1960年世界上第一台激光器问世，人们就开始研究如何把激光作为工具来对材料进行加工。早在上个世纪70年代，汽车工业就开始尝试用激光来进行材料加工。在工业上第一个用激光进行塑料焊接实际应用的是1998年Marquardt公司用半导体激光器批量制造电子汽车钥匙，黑色聚合物(PA)材料的钥匙盖子被焊接到同样是黑色但对激光波长透明的尼龙钥匙壳上。

目前市场上普遍使用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接及超声波焊接等。在传统焊接方面，热板焊接用的很少，应用最多的就是振动摩擦焊接、超声波焊接，这两种都是振动焊接，工件在接触材料表面进行高频的振动，通过摩擦达到它的熔点，然后融合。这种技术有很多的缺陷，它是接触式的，还有震动、融合，容易产生缺陷，而且时间长了会产生疲劳，零件就容易脱落，它的机械应力比较大，这就严重影响气密性。

激光焊接塑料就有效避免这些不良因素。一是它是非接触，二是焊接强度高，不容易失效，减少风险。它具有的优点很多：

• 焊接缝尺寸精密、不透气及不漏水；焊接牢固，可以得到高精度的焊接件。
  

• 在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少，不会出现飞边，部件表面能够精密连接；

• 焊接设备不需要和被黏结的塑料零部件相接触，与其他熔接方法比较，大幅减少制品的振动应力和热应力；
  

• 最小化热损坏和热变形，可以将不同组成或不同颜色的树脂黏结在一起；

• 可焊接尺寸极小或外形结构复杂的零件，对有些复杂零件甚至可以进行“穿透焊接”；

• 无振动技术能产生气密性的或者真空密封结构；能够将多种不同塑料焊接起来，而其他焊接方法有较大限制；

• 设备自动化程度高，能方便用于复杂塑料零部件加工。擅长焊接具有复杂外形(甚至是三维)的制品；能够焊接其他方法不易达到的区域。

以前，激光有些技术没有突破，而且激光器价格比较高，相比传统焊接，一次性投入较大，可能不是很快产生效益。但是现在激光的经济优势就凸显出来了，激光焊接塑料，它可以降低设计人员对产品的设计难度。目前，很多的产品（包括日用产品、3C产品等）都对加工精度、美学外观的要求非常高，就决定了应用激光焊接技术。

在汽车配件行业，目前激光焊接基本全部替换超声波焊接。激光焊接生产的柔性会更好，对工人的工作环境也比较好，而超声波焊接的工作环境是特别差。

另外，激光焊接也特别吸引那些寻求更清洁的方式来熔接复杂部件的加工商，如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。

激光焊接技术原理

激光焊接技术是用通常存在于电磁光谱红外线区的集束强辐射波熔化接头区的塑料。所用激光的类型和塑料的吸收特性决定焊接的程度。

激光塑料焊接其中的一个研究课题就是两个被焊接部件的颜色搭配，这是由所采用的激光透射焊接的原理所决定的。下图显示了因材料颜色的不同而造成的焊接难易程度。首先成功实现的是透明色–黑色材料的激光焊接。除此之外黑色–黑色材料的焊接也已广泛使用。

三者之中，由于易于获得较大功率，前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍；而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高，但对可控性和易操作性要求较高，因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。

1．CO2 激光：波长较长，为10.6微米，属远红外波段，一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最大输出功率达50kW，转化效率约10％，最小聚焦直径约0.2～0.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深，适合于需要焊接较厚的塑料材料。

2．Nd:YAG激光：波长较短，为1.06微米，属近红外区波长，不易被塑料吸收。最大输出功率6kW，转化效率为3％，最小聚焦直径0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小，可以方便地通过光纤传输来构建光路，可将激光头装到机器人手臂上，实现焊接过程的数控和精密自动化；另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料，到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收，从而实现焊接。

3．半导体激光：波长0.8～1.0微米，最大输出功率6kW，转化效率30％，最小聚焦直径0.5mm。由于其输出功率较小，适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化。

应用激光焊接塑料材料必须对激光有吸收，否则，就不能完成塑料的激光焊接。绝大多数本色的塑料和许多有色的半透明塑料都能采用激光焊接，如PS，PVC和PP等材料。

对于吸收率低的热塑性塑料，一是选择激光的种类；二是通过添加激光增敏剂(如炭黑等)，可以大大提高塑料对近红外激光的吸收率。通过对各种塑料材料对激光反射率和透过率的研究，可以解决激光焊接塑料的材料等问题。

塑料材料能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为：在热作用区内的材料，要求对激光光波的吸收性好；不属于热作用区部分的材料，则要求对光波的透过性好，尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。

一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括：PMMA，PC，ABS，LDPE，HDPE，PVC，Nylon 6，Nylon 66，PS树脂等。上述各种塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对象。

激光焊接方式对一些材料而言也存在部分局限：高性能聚合物，如PPS，聚(PEEK)和LCP，由于这些材料对近红外光的透射率很低，因而不适合激光焊接方式；

当两种材料中都填充炭黑时，由于两种材料都是黑色，它们是不能被焊接在一起的。这对于汽车外壳下的设备和其他黑色的装置采用激光焊接来说是一个障碍。同样，两种对近红外线激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)，由于对近红外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接。

对于医药、包装和消费品来说，因为这些产品都要求透明。由于许多矿物填充的化合物能够吸收近红外线激光，所以通常不适合用激光焊接。高填充的玻纤增强物能够改变近红外线激光的透射率，降低焊接效率。不过原料供应商的配方中的玻纤含量通常不会超过这个限度。

目前材料搭配研究的一个最新方向是实现塑料与金属和陶瓷材料的激光焊接。比如说塑料通过金属被激光间接地加热，接触面熔化，然后包围金属，和金属组成一个非常牢固的联接。

吸收剂

吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。如前所述，塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料融化，随后冷却自然实现塑料件的接合。让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量。塑料自身能够以较高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收剂的情况下，塑料对光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。

通常理想的吸收剂是碳黑，碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收，从而大大提高塑料的热吸收效果，使得热作用区的材料融化更快、效果更好。一些其他颜色的染料也能够起到相同的吸收光波的效果。

可见光波，这也是碳黑看起来为黑色的原因，用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深，与母材颜色不同。TWI研制出的对可见光透明的染料只吸收红外波段的电磁 波，不吸收可见光，因此看起来焊缝仍然是透明的。

很多情况下，塑料焊接要求成品美观、精致，因此相比碳黑，对可见光透明的染料吸收剂非常受青睐。

添加吸收剂的方法有3种：

• 一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂，这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面，而把没有渗吸收剂的塑料件放在上面，让激光光波通过；

• 二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂，这样只有被渗透了吸收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化；

• 三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂。

很多不同种类的材料能够用激光焊接在一起。激光焊接使用近红外线激光(NIR)，波长在810到1064nm。例如：激光焊接将能透过近红外线激光的聚碳酸酯(PC)和30％的玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)连接在一起。

激光焊接没有残渣的优点也使它比较适合应用于以下制品：食品及药物管理局(FDA)管制的医药制品、汽车制品和其他的电子传感器。二极管激光器和钇铝石榴石激光器用于塑料焊接时，它们有良好的适应性。例如：可以将二极管激光排列起来以生成复杂的线状焊缝；还可以将二极管激光发射器组合堆积起来，以获得特殊应用所需要的高焊接功率。

激光焊接的流程

激光对热塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法对被焊接的两种材料性质有一定的要求，也就是上面的热塑层对采用的激光波长是透明的，而下面的热塑层能吸收激光能量。激光束透过透明的上层材料到达下层材料，下层材料的表面因吸收激光能量而熔化，此时在一定的压力下两种材料通过分子联接而被焊接在一起。

由于激光是非机械接触的聚焦在下层材料的表面，激光引起的热效应是局域的，所以此方法可避免对被焊接材料的机械和热损伤。目前热塑材料总加工的20%左右是基于激光焊接的。

塑料激光焊接的相容性、融合温度、匹配性越接近，它的效果就越好。塑料激光焊接应用方式和金属焊接不太一样，根据不同的焊接任务和要求激光焊接的流程大致有轮廓焊接，掩模焊接，准同步焊接，同步焊接等等。

1)轮廓焊接

2)同步焊接在加工过程中焊接元件和激光束都保持不动，首先根据焊接区域定制激光头，通过多个二极管激光束发射出激光同时作用于轮廓线上使得焊接区域熔化，从而将材料焊接在一起，如图所示。同步焊接的缺点在于，使用的装置复杂，它的镜头必须根据焊接区域的形状特别定制，因而成本较高，通常用于大型零件的大批量焊接。

3)准同步焊接类似于轮廓焊接，也类似于同步焊接，通过激光束投射到焊接区域沿着轮廓高速扫描，每秒可扫描数次，使得焊接区域近似于被同时加热熔化，从而形成焊缝，如上图所示。因此，焊接强度及焊接质量与激光扫描速度、扫描圈数和激光强度有关。准同步焊接的优点是自由度高，灵活性好，尤其适合简单的二维焊接，如手机外壳、电子元件外壳等。

4)掩膜焊接使用一个可吸收或反射激光的膜，激光束投射到焊接区域，并使激光束或焊件移动，目标焊接区域由于没有掩膜的遮蔽，因而熔化并形成焊缝。掩模焊接可以使得超过10μm的宽度能够形成焊缝。此外，不仅直线焊缝，由于掩膜的形状决定了焊接的区域，因此掩膜焊接十分“灵活”，形状复杂的焊缝也可通过使用合适的掩模形成。掩膜焊接精密度可达到微米级，该方法已经在精度和小尺寸元件焊接上得到应用，包括医疗、电子、和电气行业。

5)反射焊接

主要用于圆柱表面圆周线状的焊接。激光束通过高速扫描电机定位后投射到焊接区域经由圆锥型镜面二次反射，可在圆柱焊件表面形成径向式辐射，根据电机扫描的速度可作轮廓焊接或准同步焊接。反射焊接产量高，并且无需夹紧装置，特别适合于直径不同和无需旋转的圆柱状焊件。

6)衍射焊接

衍射焊接是一种新型的塑料激光焊接方法，通过使用衍射光学元件对激光束整形，再通过掩膜使激光束投射到焊接区域加热熔化并形成焊缝。衍射焊接通过光学元件使得光斑大小可达微米级，因而可进行微焊接。衍射焊接可以焊接出大小约为300μm，焊缝为75μm的焊接件，也可进行密封焊接。

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