激光塑料焊接技术

自从激光问世 ，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PA钥匙壳上。

根据分子结构塑料可分为三种：热塑材料，热固材料和合成橡胶。目前对热塑材料激光焊接的研究和应用比较多，下面我们就从三个方面简单讲述针对热塑材料的激光焊接技术和研究进展。

一. 激光焊接的流程和方法

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。

根据不同的焊接任务和要求激光焊接的流程大致有以下几种。

轮廓焊接是最简单，目前使用最广的焊接流程。在焊接时激光束通过光学系统和振镜在被焊接的物体上移动或者激光束静止而被焊接物体移动。激光与被焊接物体之间的相互作用时间取决于光束焦点尺寸和移动速度，既而影响焊接时间和效果。轮廓焊接是一种非常灵活的焊接流程，可实现复杂的三维焊接，在包装行业里有广泛的应用。

掩模焊接是一种借助掩模，基于轮廓焊接或着同步焊接方法的流程，其原理与芯片制造上的光刻技术相似。这种流程主要使用在复杂的几何焊接图案上，最小接缝宽度大于100μm。掩模往往是由薄片或金属化的玻璃制成。由于制作掩模比较繁琐，所做的掩模只针对一个焊接几何图案，所以掩模焊接往往缺乏灵活性，但适合大批量的焊接加工。

准同步焊接是一种把轮廓焊接和同步焊接结合起来的流程。激光束通过振镜以极快的最高达10m/s的速度在焊缝上移动并且多次重复扫描，使得整个焊接区域同时熔化，效果与同步焊接相似。通过同步熔化过程使得准同步焊接和同步焊接方法一样适合于具有大缝隙的两个相邻部件的搭桥焊接。

在同步焊接中激光束同时照射焊接区域，从而明显减少了焊接处理时间，并允许搭桥焊接具有大缝隙的两个相邻部件。与轮廓焊接相比由于更长的激光作用时间使通过同步焊接方法焊接的部位更加牢靠。

二. 焊接塑料的颜色

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。

由于组成塑料的高分子的本怔吸收带通常位于紫外和远红外区域，所以最初只有CO2激光器被用于激光焊接的研究。但是通过搀杂和添加色素可极大地改变塑料的光学吸收特性，从而使塑料在可见光和近红外区域的吸收大大增强，由原本激光透明的材料变成激光吸收材料，这样传统的Nd: YAG固体激光器(1064nm和倍频532nm)和大功率GaAs半导体激光器(800nm-1000nm)以及新型光纤激光器都可以被用作激光焊接的光源。色素搀杂同时也改变了原来塑料焊接的特性和参数，使之更适合于某种特殊应用。

三. 被焊接材料的搭配

与材料颜色搭配几乎同时进行研究的是焊接材料的搭配。目前在工业上采用激光焊接的材料大部分是热塑材料(Thermoplastic, TP)，构成TP–TP焊接。由于采用的激光透射焊接是非接触性的，所以这些热塑材料也可以与其它材料焊接到一起，比如同样具有热塑性的合成橡胶(Thermoplastic Elastomer, TPE)。具有热塑性的合成橡胶因为同时具有热塑材料的热塑性和合成橡胶的弹性和伸缩性，而它的焊接处理温度和冷却时间等参数又与热塑材料非常相似，所以用激光透射焊接的方法可容易实现TP–TPE焊接。由于TPE的手感和摩擦性好，所以TP–TPE焊接在汽车工业上的第一个应用就是制造汽车方向盘。此外 ，TPE和TPE也可通过激光透射焊接的方法被焊接到一起，组成TPE– TPE焊接。

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。