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所需焊接的正確部位。

激光具有不同的波長，其波長對光與塑料材料的相互作用有很大影響。這個過程的性質取決于塑料的種類，厚度和添加劑的含量。形狀復雜，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備加工成各種類型的產品，包括導管、微流控制裝置、管道、包裝、電子產品盒、充氣裝置等。

■塑料類型

熱塑性塑料由長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的，沒有剛性網絡。在高溫下，分子可以自由移動，材料可以像液體一樣流動。工業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晶型(外觀像牛奶型)和非結晶型(玻璃化型)。半結晶是一些被非結晶材料包圍的小結晶。這些結晶體會折射光，改善外觀，限制激光輻射的傳輸。反過來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

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

最常見的激光焊接形式是透射法，在這種情況下，激光束穿過零件上方，到達零件下方的表面，在這里加熱，發生熔化。使用的激光波長范圍在750-1500nm之間，由二級光、光纖、摻有鎳的鋁石榴石激光棒(Nd:YAG)激光產生。一般來說，塑料對這種輻射波長的吸收不如紫外線或中紅外輻射。這個范圍內的能量吸收水平很大程度上取決于塑料中添加劑的使用，塑料是半結晶還是非結晶。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晶塑料中，但在無定形塑料中幾乎不會衰減。可以通過顏料或填料等添加劑，尤其是炭黑顏料來提高對激光的吸收水平。

自1.6μm以上的波長以來，天然無著色塑料對激光輻射的吸收程度逐漸提高，直到5μm以上的IR其對波長的吸收程度也十分強烈。在光纖激光或摻合-YAG激光產生的波長為2μm的激光中，所有塑料(無論是半結晶還是非結晶)材料是半結晶還是非結晶)材料上方的幾毫米處。無需其他能量吸收器的幫助，可直接焊接數毫米厚的片材。這種激光叫做直接激光焊接，因為激光束不需要穿過上面的零件才能到達焊接線。直接激光焊接技術尚未廣泛應用于塑料連接，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1000m/min。

■透射激光焊接

1985年，透射激光焊接技術首次見諸報道，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行。炭黑吸收激光束的能量并加熱，在兩個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10%)，這樣下部零件的表面就會優先受熱(圖1)。圖片中兩種材料的熔融深度基本相同，說明黑色表面的熱點非常集中。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，使接縫的顏色不再那么明顯。一個例子是Clearweld，它是一種IR吸收型顏料，類似于其他可見型顏料，它可以通過噴涂、印刷、墊子、針頭或筆對接縫進行涂色，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透明PMMA部件連接表面之間而焊接的部件。現在幾乎所有的顏色混合都可以通過透射激光焊接技術進行焊接。塑料含量高的填料會產生主要問題，因為上面的部分不允許激光束穿過連接部分。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。

圖2：用IR吸收器在連接街上進行激光透射焊接。

透光激光焊接的應用領域包括:醫療器械、包裝、汽車零件、消費品、電子包裝、紡織品。

這種技術在紡織品中的應用非常有趣。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，一些纖維就不會熔化，織物的強度也不會改變，通常柔韌性也不會改變。圖3:用IR吸收器焊接透明PMMA的容器。激光束導向容器壁下方，焊接痕跡幾乎看不見。

該工藝還延伸到纖維增強聚合復合材料中，其中復合基材經激光源加熱熔融，纖維增強材料在此過程中保持不變。

透射激光焊接可用于玻璃纖維和聚合物纖維增強復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，不需要激光束通過零件。

■直接激光焊接

當激光能量未經選定的輻射波長或材料類型穿透時，就會在塑料上表面熔化。相應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過程。薄膜的焊接有望達到很高的速度。可見各種塑料薄膜以1200m/min的速度焊接的例子。通過控制激光束的功率分配，可以切割兩個相互接觸的塑料薄膜，同時在切割邊緣留下焊接區域，從而在包裝或制袋過程中完成切割/密封。

圖4:67W1940nm配合光纖激光以4.5m/min的速度焊接，PMMA熔融深度達到3mm。

對于厚度為0.2-5毫米的塑料，傳統的焊接(圖4)和其他類型的焊接(圖4)可以用波長為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，保證焊接質量穩定一致。

■總結

高分子產品可采用各種加工機制(輻射波長與材料相匹配)和不同類型的設備，如龍門架、機器人、掃描器或固定二級管陣列進行激光焊接。該激光提供高效能源，精確加熱，局部熔化。焊接工作速度快，強度高，外形美觀。

采用非常緊湊的二級管和光纖激光源，可以獲得高效的焊接工藝，易于實現高水平的自動化，該技術廣泛應用于各種工業領域和產品類型。