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(cháng)，其波長(cháng)對光與塑料材料的相互作用有很大影響。這個(gè)過(guò)程的性質(zhì)取決于塑料的種類(lèi)，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(lèi)型的產(chǎn)品，包括導管、微流控制裝置、管道、包裝、電子產(chǎn)品盒、充氣裝置等。

■塑料類(lèi)型

熱塑性塑料由長(cháng)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(lián)的，沒(méi)有剛性網(wǎng)絡(luò )。在高溫下，分子可以自由移動(dòng)，材料可以像液體一樣流動(dòng)。工業(yè)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(guān)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(huì )折射光，改善外觀(guān)，限制激光輻射的傳輸。反過(guò)來(lái)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(zhù)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(lèi)型和塑料的相互作用

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

最常見(jiàn)的激光焊接形式是透射法，在這種情況下，激光束穿過(guò)零件上方，到達零件下方的表面，在這里加熱，發(fā)生熔化。使用的激光波長(cháng)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(chǎn)生。一般來(lái)說(shuō)，塑料對這種輻射波長(cháng)的吸收不如紫外線(xiàn)或中紅外輻射。這個(gè)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(wú)定形塑料中幾乎不會(huì )衰減?？梢酝ㄟ^(guò)顏料或填料等添加劑，尤其是炭黑顏料來(lái)提高對激光的吸收水平。

自1.6μm以上的波長(cháng)以來(lái)，天然無(wú)著(zhù)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(cháng)的吸收程度也十分強烈。在光纖激光或摻合-YAG激光產(chǎn)生的波長(cháng)為2μm的激光中，所有塑料(無(wú)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(wú)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(guò)上面的零件才能到達焊接線(xiàn)。直接激光焊接技術(shù)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(cháng)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(guò)1000m/min。

■透射激光焊接

1985年，透射激光焊接技術(shù)首次見(jiàn)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(jìn)行。炭黑吸收激光束的能量并加熱，在兩個(gè)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(guò)10%)，這樣下部零件的表面就會(huì )優(yōu)先受熱(圖1)。圖片中兩種材料的熔融深度基本相同，說(shuō)明黑色表面的熱點(diǎn)非常集中。黑色表面在零件中就像加熱元件一樣，為周?chē)慵峁┛焖偌庸?，盡量減少熱損，最大限度減少連接點(diǎn)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(lái)，使接縫的顏色不再那么明顯。一個(gè)例子是Clearweld，它是一種IR吸收型顏料，類(lèi)似于其他可見(jiàn)型顏料，它可以通過(guò)噴涂、印刷、墊子、針頭或筆對接縫進(jìn)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(gè)透明PMMA部件連接表面之間而焊接的部件?，F在幾乎所有的顏色混合都可以通過(guò)透射激光焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。塑料含量高的填料會(huì )產(chǎn)生主要問(wèn)題，因為上面的部分不允許激光束穿過(guò)連接部分。這種情況下，必須減少填料或改變粒徑，減少光線(xiàn)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(jìn)行激光透射焊接。

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

這種技術(shù)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(huì )熔化，織物的強度也不會(huì )改變，通常柔韌性也不會(huì )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(jiàn)。

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(jīng)激光源加熱熔融，纖維增強材料在此過(guò)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(guò)零件。

■直接激光焊接

當激光能量未經(jīng)選定的輻射波長(cháng)或材料類(lèi)型穿透時(shí)，就會(huì )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(gè)過(guò)程。薄膜的焊接有望達到很高的速度?？梢?jiàn)各種塑料薄膜以1200m/min的速度焊接的例子。通過(guò)控制激光束的功率分配，可以切割兩個(gè)相互接觸的塑料薄膜，同時(shí)在切割邊緣留下焊接區域，從而在包裝或制袋過(guò)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(lèi)型的焊接(圖4)可以用波長(cháng)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(zhì)量穩定一致。

■總結

高分子產(chǎn)品可采用各種加工機制(輻射波長(cháng)與材料相匹配)和不同類(lèi)型的設備，如龍門(mén)架、機器人、掃描器或固定二級管陣列進(jìn)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(guān)。

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(shí)現高水平的自動(dòng)化，該技術(shù)廣泛應用于各種工業(yè)領(lǐng)域和產(chǎn)品類(lèi)型。