文/Jonathan Magee，ACSYS Lasertechnik UK Ltd

    工业激光器被广泛应用于工程塑料的各种加工，服务着众多行业市场。一些常见的塑料加工应用包括激光打标、激光切割和激光焊接（见图1）。激光塑料焊接主要应用在汽车和医疗器械领域。

 

图1：激光塑料焊接

Plasticwelding：塑料焊接； 

plasticcutting ：塑料切割；

plasticengraving：塑料雕刻；

thermoplasts：热塑性塑料；

duroplasts：硬质体塑料；

elastomers：弹性体塑料；

Foaming：发泡处理；

Carbonizing：碳化处理

 

为什么用激光塑料焊接?

       相比于传统的接触式焊接，激光塑料焊接优势明显。首先，激光焊接是无接触式焊接；其次，焊点位置通常位于两个重叠件的界面处，焊接区域被隐藏，看起来比较美观，并且不污染焊接零件的表面。因此，从外观来看，无法判断两个相接触的零件已经从上到下焊接在一起。

       传统的塑料焊接技术，如超声波或热冲压，两块塑料焊接在一起都不可避免地影响外表面。非接触激光塑料焊接，利用激光在聚合物链中部分透射、反射、散射以及吸收实现焊接。通过选择合适的激光参数，可以在塑料的选定位置产生足够的热量，以实现熔化和粘接。

       激光焊接工艺应该在产品开发的早期就建立起来。有些不是为激光焊接专门研发的塑料产品，有时也能用激光实现焊接；但如果在塑料产品研发的早期阶段，就将激光焊接工艺考虑进来，将会大大减少激光焊接中可能出现的一些问题。

 

设计考量

 

图2：激光塑料焊接的设计考量

Successfullaser plastic weld：成功的激光塑料焊接

Correct choiceof plastics: Thermal and chemical compatibility：正确选择塑料类型：热力学和化学性质适配

Effectivedelivery method for laser beam to part：激光束到达零件的有效传输方法

Matching ofoptical properties of plastics and laser beam：塑料的光学性质与激光束匹配

Sufficientpart fit-up and fixturing forces along part extremities：沿零件末端有足够的装配力和固定力

 

塑料产品具有优异的机械、几何、热力学和光学等特性（见图2），因此塑料产品的激光可焊接性由以下因素决定：

• 所选择的材料是否适配？适配性是指被焊接的两种塑料，在熔化温度、化学性能、机械特性以及几何和光学属性方面所表现出的特性，是否适合焊接在一起。

• 激光束能否有效地通过上层塑料传输到交界面，以及底层塑料能否在焊接区吸收激光能量产生热量？

• 在焊接过程中，零件是否能够有效地贴合在一起，施加的力是否能够控制？零件的几何形状是否能让零件很好地贴合而不会产生间隙？

• 在几何形状固定的情况下，激光能量能否有效地传递到塑料零件并产生热量？

 

热力学和化学性质相适配

       塑料的熔点比金属低很多。工程塑料的熔点约为250°C。有些塑料的熔点要高一些，例如聚醚醚酮（PEEK），熔点在350~400℃之间。当两种塑料的熔点温度相匹配的时候，有助于熔池的混合，提高再凝固时的机械强度。熔化温度相匹配的两种塑料，特别适合用激光焊接。

       此外，塑料的化学成分也是一个重要的影响因素。例如，尽管高密度聚乙烯（HDPE）与低密度聚丙烯（PP）属于同族材料，但是这两种塑料却无法焊接到一起。而低密度聚乙烯（LDPE）与聚丙烯就能实现焊接。因此激光塑料焊接必须要考虑被焊材料的组合。

 

光学性质匹配

       在材料加工中，所用的激光是单色或者带宽很窄的相干可聚焦光束，波长在800nm~2μm范围内的近红外和红外激光，在塑料焊接中应用最为广泛。这些波长比人眼可见的532nm的绿光及635nm的红光要长。激光波长为800~2000nm时，被焊接的塑料必须在这个范围内有一定程度的透射和吸收。

      塑料一般是半晶态结构，有晶相和非晶相。激光照射塑料时，除了引起透射和吸收外，非晶态和晶态之间的折射率差异，还会对激光产生散射和反射。半晶态结构对焊接的影响，主要取决于对激光产生的散射和反射的强度。因此，通过有效的光学设计，可以让激光透过上层塑料，在下层塑料上产生吸收（见图3）。有时，需要在塑料中掺入添加剂，提高对激光的吸收能力。在塑料产品的设计阶段就应该考虑掺入添加剂是否合适——例如在用于医疗器械的塑料中掺入添加剂能否通过FDA测试？

 

 

图3：塑料焊接中理想化的激光传输和吸收模型

Infrared laserbeam：红外激光

Top plasticpart, transmission：上层塑料，透光

Lower plasticpart, absorption：下层塑料，吸光

Encapsulatedlaser weld at plastic interface: 塑料接触界面焊缝被密封

 

        一些塑料中含有玻璃纤维（如聚酰胺PA-66，通常称为尼龙）。玻璃纤维的含量，会影响激光的透过率，玻璃纤维浓度较高的地方，激光透射率较低。

       关于塑料焊接的一个常见问题是：哪些颜色的塑料可以焊接在一起？这个问题没有统一答案，事实上许多颜色组合的塑料都能焊接在一起。

       此外，通过对塑料成分的精心设计，也可以实现同种颜色塑料，如透明塑料、白色塑料、黑色塑料之间的激光焊接。可见光一般不能透过彩色塑料，而单色波长的激光却有可能透过。

 

零件装配和固定

       塑料零件应该确保被塑型成某种几何形状，通过装配部件的良好配合，使其适合激光塑料焊接，并确保接头处可以充分贴合。由于激光不易在空气间隙中传递热量，因此，激光焊接时，零件的焊接部位应保持充分接触。搭接焊就是一个很好的例子。在某些情况下，对接焊也能实现很好的焊接质量，这在很大程度上取决于激光束如何作用于焊缝，以及塑料成型机产生的零件公差。将盖子焊接到容器上就是一个很好的零件配合的案例。

       在焊接过程中实施向下的力，对焊接复杂的零件来说是必不可少的，特别是对于那些难以在其边界自然地实现良好装配的大型零件。夹紧力可以通过伺服驱动产生，也可以通过气动夹紧产生。塑料焊接时有一个坍塌力，它决定了塑料在受热熔化变形之前能承受多大的力，以及熔化时将零件推到一起需要多大的力。通常，激光塑料焊接过程中，通过集成力-位移传感器来监测和控制在焊接过程中施加在零件上的力。

 

有效控制热量

       在激光焊接中，将激光传输到工件的方法有多种。在此简单介绍几种方法。第一种，保持激光焊接头固定，XYZR工作台相对激光头运动。由于运动平台在开始和停止点以及改变方向时需要加速，因此在焊接时可能不会导致大型部件的均匀加热。然而，这种焊接方法很灵活，因为激光路径可以通过CAD数据生成。

       第二种方法是使用高速振镜使激光束以10m/s的速度快速移动。高功率激光束以非常高的速度移动，可以使整个焊缝从一端到另一端几乎瞬间加热，加热比较同步且均匀。

       第三种方法是用激光透过掩膜照射零件。这种方法需要掩膜孔径与焊缝形状一致。每当焊缝形状变化的时候掩膜就得重新制作，因此这种方法灵活性不大。

       第四种方法使用率不太高，是用专门的激光透镜，产生一个线状焦点，在规定方向上实现缝合焊缝。在焊接过程中可能需要控制激光功率，通过高温计测量焊接过程中的工件温度，并将此信息反馈给激光控制器的功率控制回路。

 

总结

       本文介绍了激光塑料焊接过程中的一些基本考量因素。最重要的是，塑料产品本身的设计必须要适合激光焊接——这就要求在产品设计的早期阶段，研发团队就应该与客户合作，充分了解激光焊接的要点。生产复杂塑料产品的模具制造成本很高，模具设计者必须事先了解面向激光焊接存在的模具设计与制造问题。解决了模具问题，就可以确保从模具上下来的塑料零件的几何形状可以直接进行激光焊接。

       激光塑料焊接在工业中的应用越来越深入，从汽车灯组件到喷墨打印机墨盒等各种大批量产品的制造，都用到了激光塑料焊接。

 

文章来源：ACT激光世界