激光焊接塑料成功的因素有哪些？要考慮什么？

在工程塑料的各種加工中，工業激光器得到了廣泛的應用，服務于許多行業市場。一些常見的塑料加工應用包括激光打標、激光切割和激光焊接。在汽車和醫療器械領域，激光焊接主要用于汽車和醫療器械。

為什么塑料要選擇激光焊接?

與傳統的接觸焊接相比，激光塑料焊接具有明顯的優勢。首先，激光焊接是無接觸焊接;其次，焊點通常位于兩個重疊件的接口處，焊接區域隱藏，看起來很漂亮，不會污染焊接部件的表面。因此，從外觀上看，無法判斷兩個接觸部件是從上到下焊接在一起的。

超聲波或熱沖壓等傳統塑料焊接技術不可避免地會影響外表面。激光塑料焊接采用激光在聚合物鏈中部分透射、反射、散射和吸收來實現焊接。通過選擇合適的激光參數，可以在塑料的選擇位置產生足夠的熱量，從而實現熔化和粘接。

激光焊接技術應在產品開發的早期建立。有些塑料產品不是專門為激光焊接開發的，有時可以用激光焊接;但是，如果在塑料產品研發的早期階段考慮激光焊接技術，激光焊接中可能出現的一些問題就會大大減少。

塑料制品具有優良的機械、幾何、熱力學和光學特性(見圖1)，因此塑料制品的激光可焊性由以下因素決定：

所選材料是否適合?適應性是指在熔化溫度、化學性能、機械特性、幾何學和光學屬性方面，焊接的兩種塑料是否適合焊接在一起。

在焊接區域，激光束能否通過上層塑料有效地傳遞到交界面，以及底層塑料能否吸收激光能量產生熱量?

在焊接過程中，零件能否有效貼合，施加的力能否控制?零件的幾何形狀能否在不產生間隙的情況下很好地貼合零件?

激光能量能否在幾何形狀固定的情況下有效地傳遞到塑料零件并產生熱量?

與化學性質相適應的熱力學

塑膠的熔點遠低于金屬。工程塑料的熔點大約是250°C。一些塑料的熔點較高，如聚醚醚酮(PEEK)，熔點在350~400℃它們之間。當兩種塑料的熔點溫度相匹配時，有助于熔池的混合，提高再凝固時的機械強度。兩種與熔化溫度相匹配的塑料特別適合激光焊接。

另外，塑料的化學成分也是一個重要的影響因素。舉例來說，雖然高密度聚乙烯(HDPE)低密度聚丙烯(PP)屬于同族材料，但這兩種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須考慮焊接材料的組合。

光學性質匹配

材料加工中使用的激光是單色或帶寬非常窄的相關聚焦光束，波長為800.nm~2μm近紅外和紅外激光廣泛應用于塑料焊接。這些波長比人眼可見的532nm的綠光及635nm紅光要長。激光波長為800~2000nm在這一范圍內，焊接塑料必須具有一定的透射性和吸收性。

塑料一般為半晶體結構，包括晶體相和非晶體相。激光照射塑料時，非晶體和晶體之間的折射率差異不僅會導致透射和吸收，還會對激光產生散射和反射。半晶體結構對焊接的影響主要取決于激光的散射和反射強度。因此，通過有效的光學設計，激光可以通過上層塑料吸收下層塑料(見圖2)。有時需要在塑料中加入添加劑，以提高激光的吸收能力。在塑料產品的設計階段，應考慮添加劑是否合適——例如，添加劑是否適用于醫療器械FDA測試?

　　圖2：理想的激光傳輸和吸收模型在塑料焊接中

　　有些塑料中含有玻璃纖維(例如聚酰胺PA-66.一般稱為尼龍)。玻璃纖維的含量，會影響激光的透過率，玻璃纖維濃度較高，激光透射率較低。

塑料焊接的一個常見問題是:什么顏色的塑料可以焊接在一起?這個問題沒有統一的答案。事實上，許多顏色組合的塑料可以焊接在一起。

此外，同一種顏色的塑料，如透明塑料、白色塑料和黑色塑料之間的激光焊接，也可以通過精心設計的塑料成分來實現。可見光一般不能通過彩色塑料，但單色波長的激光可能通過。

組裝和固定零件

塑料零件應保證塑料形成一定的幾何形狀，并通過組裝零件的良好配合，使其適合激光塑料焊接，并保證接頭能夠充分貼合。因為激光不容易在空氣間隙中傳遞熱量，所以在激光焊接過程中，零件的焊接部分應保持充分的接觸。搭接焊就是一個很好的例子。在某些情況下，對接焊也可以達到良好的焊接質量，這在很大程度上取決于激光束如何作用于焊接，以及塑料成型機產生的零件公差。將蓋子焊接到容器上是一個很好的零件配合案例。

對于焊接復雜的零件來說，在焊接過程中實現向下的力是必不可少的，尤其是對于那些難以在其邊界自然組裝的大型零件。夾緊力可以由伺服驅動，也可以由氣動夾緊產生。塑料焊接時有坍塌力，這決定了塑料在受熱熔化變形前能承受多大的力，以及在熔化過程中將零件推到一起需要多大的力。通常，在激光塑料焊接過程中，焊接過程中施加在零件上的力由集成力-位移傳感器監測和控制。

熱量得到有效控制

對于激光焊接，有很多方法可以將激光傳輸到工件上。這里簡單介紹幾種方法。首先，保持激光焊接頭固定，XYZR與激光頭相比，工作臺運動。由于運動平臺在開始、停止和改變方向時需要加速，大型零件在焊接過程中可能不會均勻加熱。但是，這種焊接方法非常靈活，因為激光路徑可以通過CAD數據生成。

第二種方法是使用高速振動鏡使激光束為10.m/s快速移動。高功率激光束以非常高的速度移動，可以使整個焊縫幾乎瞬間從一端加熱到另一端，加熱相對同步均勻。

第三種方法是用激光通過掩膜照射零件。這種方法需要覆膜孔徑與焊縫形狀一致。每當焊縫形狀發生變化時，覆膜都要重新制作，所以這種方法不靈活。

第四種方法使用率不太高。它使用特殊的激光鏡頭來產生線性焦點，并在規定的方向上縫合焊縫。激光功率可能需要在焊接過程中控制，焊接過程中的工件溫度可以通過高溫計測量，這些信息可以反饋給激光控制器的功率控制電路。

總結

本文介紹了激光塑料焊接過程中的一些基本考慮因素。最重要的是，塑料產品本身的設計必須適合激光焊接——這就要求R&D團隊在產品設計初期要與客戶合作，充分了解激光焊接的要點。復雜塑料產品的模具制造成本很高，模具設計師必須提前了解激光焊接中存在的模具設計和制造問題。通過解決模具問題，可以保證從模具上下來的塑料零件的幾何形狀可以直接進行激光焊接。

從汽車燈組件到噴墨打印機墨盒等各種大批量產品的制造，激光塑料焊接在工業上的應用日益深入。