在工程塑料的各种加工中，工业激光器得到了广泛的应用，服务于许多行业市场。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。在汽车和医疗器械领域，激光焊接主要用于汽车和医疗器械。

 

为什么塑料要选择激光焊接？

与传统的接触焊接相比，激光塑料焊接具有明显的优势。首先，激光焊接是无接触焊接；其次，焊点通常位于两个重叠件的接口处，焊接区域隐藏，看起来很漂亮，不会污染焊接部件的表面。因此，从外观上看，无法判断两个接触部件是从上到下焊接在一起的。

超声波或热冲压等传统塑料焊接技术不可避免地会影响外表面。激光塑料焊接采用激光在聚合物链中部分透射、反射、散射和吸收来实现焊接。通过选择合适的激光参数，可以在塑料的选择位置产生足够的热量，从而实现熔化和粘接。

激光焊接技术应在产品开发的早期建立。有些塑料产品不是专门为激光焊接开发的，有时可以用激光焊接；但是，如果在塑料产品研发的早期阶段考虑激光焊接技术，激光焊接中可能出现的一些问题就会大大减少。

考虑激光塑料焊接的设计

图1：考虑激光塑料焊接的设计

塑料制品具有优良的机械、几何、热力学和光学特性(见图1)，因此塑料制品的激光可焊性由以下因素决定：

所选材料是否适合？适应性是指在熔化温度、化学性能、机械特性、几何学和光学属性方面，焊接的两种塑料是否适合焊接在一起。

在焊接区域，激光束能否通过上层塑料有效地传递到交界面，以及底层塑料能否吸收激光能量产生热量？

在焊接过程中，零件能否有效贴合，施加的力能否控制？零件的几何形状能否在不产生间隙的情况下很好地贴合零件？

激光能量能否在几何形状固定的情况下有效地传递到塑料零件并产生热量？

 

与化学性质相适应的热力学

塑胶的熔点远低于金属。工程塑料的熔点大约是250°C。一些塑料的熔点较高，如聚醚醚酮（PEEK），熔点在350~400℃它们之间。当两种塑料的熔点温度相匹配时，有助于熔池的混合，提高再凝固时的机械强度。两种与熔化温度相匹配的塑料特别适合激光焊接。

另外，塑料的化学成分也是一个重要的影响因素。举例来说，虽然高密度聚乙烯（HDPE）低密度聚丙烯（PP）属于同族材料，但这两种塑料不能焊接在一起。低密度聚乙烯（LDPE）可以和聚丙烯一起焊接。所以激光塑料焊接必须考虑焊接材料的组合。

 

光学性质匹配

材料加工中使用的激光是单色或带宽非常窄的相关聚焦光束，波长为800。nm~2μm近红外和红外激光广泛应用于塑料焊接。这些波长比人眼可见的532nm的绿光及635nm红光要长。激光波长为800~2000nm在这一范围内，焊接塑料必须具有一定的透射性和吸收性。

塑料一般为半晶体结构，包括晶体相和非晶体相。激光照射塑料时，非晶体和晶体之间的折射率差异不仅会导致透射和吸收，还会对激光产生散射和反射。半晶体结构对焊接的影响主要取决于激光的散射和反射强度。因此，通过有效的光学设计，激光可以通过上层塑料吸收下层塑料(见图2)。有时需要在塑料中加入添加剂，以提高激光的吸收能力。在塑料产品的设计阶段，应考虑添加剂是否合适——例如，添加剂是否适用于医疗器械FDA测试？

理想的激光传输和吸收模型在塑料焊接中

图2：理想的激光传输和吸收模型在塑料焊接中

有些塑料中含有玻璃纤维(例如聚酰胺PA-66，一般称为尼龙)。玻璃纤维的含量，会影响激光的透过率，玻璃纤维浓度较高，激光透射率较低。

塑料焊接的一个常见问题是:什么颜色的塑料可以焊接在一起？这个问题没有统一的答案。事实上，许多颜色组合的塑料可以焊接在一起。

此外，同一种颜色的塑料，如透明塑料、白色塑料和黑色塑料之间的激光焊接，也可以通过精心设计的塑料成分来实现。可见光一般不能通过彩色塑料，但单色波长的激光可能通过。

 

组装和固定零件

塑料零件应保证塑料形成一定的几何形状，并通过组装零件的良好配合，使其适合激光塑料焊接，并保证接头能够充分贴合。因为激光不容易在空气间隙中传递热量，所以在激光焊接过程中，零件的焊接部分应保持充分的接触。搭接焊就是一个很好的例子。在某些情况下，对接焊也可以达到良好的焊接质量，这在很大程度上取决于激光束如何作用于焊接，以及塑料成型机产生的零件公差。将盖子焊接到容器上是一个很好的零件配合案例。

对于焊接复杂的零件来说，在焊接过程中实现向下的力是必不可少的，尤其是对于那些难以在其边界自然组装的大型零件。夹紧力可以由伺服驱动，也可以由气动夹紧产生。塑料焊接时有坍塌力，这决定了塑料在受热熔化变形前能承受多大的力，以及在熔化过程中将零件推到一起需要多大的力。通常，在激光塑料焊接过程中，焊接过程中施加在零件上的力由集成力-位移传感器监测和控制。

 

热量得到有效控制

对于激光焊接，有很多方法可以将激光传输到工件上。这里简单介绍几种方法。首先，保持激光焊接头固定，XYZR与激光头相比，工作台运动。由于运动平台在开始、停止和改变方向时需要加速，大型零件在焊接过程中可能不会均匀加热。但是，这种焊接方法非常灵活，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动镜使激光束为10。m/s快速移动。高功率激光束以非常高的速度移动，可以使整个焊缝几乎瞬间从一端加热到另一端，加热相对同步均匀。

第三种方法是用激光通过掩膜照射零件。这种方法需要覆膜孔径与焊缝形状一致。每当焊缝形状发生变化时，覆膜都要重新制作，所以这种方法不灵活。

第四种方法使用率不太高。它使用特殊的激光镜头来产生线性焦点，并在规定的方向上缝合焊缝。激光功率可能需要在焊接过程中控制，焊接过程中的工件温度可以通过高温计测量，这些信息可以反馈给激光控制器的功率控制电路。

 

总结

本文介绍了激光塑料焊接过程中的一些基本考虑因素。最重要的是，塑料产品本身的设计必须适合激光焊接——这就要求R&D团队在产品设计初期要与客户合作，充分了解激光焊接的要点。复杂塑料产品的模具制造成本很高，模具设计师必须提前了解激光焊接中存在的模具设计和制造问题。通过解决模具问题，可以保证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。

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，激光塑料焊接在工业上的应用日益深入。