激光器性能和成本效益的改進(jìn)使其更廣泛地用于焊接熱塑性塑料。在商業(yè)和消費品中越來(lái)越多地使用粘合塑料，有望為該應用提供多年的持續增長(cháng)。

紅外激光焊接涉及通過(guò)在它們的公共界面局部熔化和融合材料來(lái)連接兩個(gè)部件。與金屬一樣，熱塑性塑料可以被熱軟化或熔化，但是，焊接金屬和熱塑性塑料之間存在許多重要區別。金屬吸收最常見(jiàn)的激光波長(cháng)，但它是極好的熱導體，在熔化和焊接之前需要非常高的局部溫度。相反，許多塑料在這些相同的激光波長(cháng)下是透明的，并且是眾所周知的不良熱導體。此外，熱塑性塑料在相對較低的溫度下會(huì )軟化或熔化。此外，塑料最好通過(guò)達到高度軟化狀態(tài)而不是真正的液態(tài)熔體來(lái)焊接。

這些差異會(huì )影響在塑料中進(jìn)行激光焊接的方式。大多數塑料焊接應用涉及通過(guò)要連接的部件之一傳輸激光。然后第二部分吸收光，僅在部分之間的界面產(chǎn)生強烈的局部加熱和軟化。

為了開(kāi)發(fā)“穿透式”焊接應用，有必要了解要連接的塑料的透射/吸收特性。由于成本通常是一個(gè)驅動(dòng)問(wèn)題，因此大多數塑料焊接是在近紅外區域進(jìn)行的，那里有具有所需功率水平（幾瓦到幾十瓦）的經(jīng)濟型激光器。材料的近紅外 (IR) 吸收特性可以用分光光度計測量，但通常最好只使用激光和功率計。由于吸收并不總是與功率呈線(xiàn)性關(guān)系，因此在預期功率水平下測量吸收非常重要。此外，大多數加工車(chē)間和工廠(chǎng)現場(chǎng)根本沒(méi)有分光光度計。

理想情況下，一種材料在激光波長(cháng)下是完全透明的，而另一種材料將表現出非常高的吸收率。實(shí)際上，大多數透明塑料通過(guò)一英寸材料的吸收率低于 10%。根據經(jīng)驗，通?？梢匀萑堂坑⒋绾穸雀哌_ 20% 的吸收水平。這種吸收量可以產(chǎn)生適度的整體加熱，但不會(huì )顯著(zhù)影響整個(gè)過(guò)程。

一旦光線(xiàn)傳輸到焊接界面，鑒于兩個(gè)部分必須具有相似的成分才能獲得牢固的焊接，我們如何實(shí)現高局部吸收？目前最常用的方法是用炭黑填料摻雜第二部分，這會(huì )產(chǎn)生非常高的吸收率，而不會(huì )顯著(zhù)影響整體強度。

實(shí)際問(wèn)題

在焊接過(guò)程中，必須對接頭施加壓力以將零件固定到位并限制加熱的聚合物膨脹。緊密接觸還允許熱量從吸收材料流入非吸收材料，從而使兩者充分軟化。通常，40 到 60 psi 之間的夾緊力就足夠了，與其他焊接工藝相比，這是相當適中的。通過(guò)使用透明材料塊（例如玻璃或聚碳酸酯）或使用帶有激光束通孔的不透明工具來(lái)施加這種夾緊壓力。然后通過(guò)物理移動(dòng)部件和/或掃描激光束來(lái)創(chuàng )建焊接。

其他實(shí)際考慮因素是零件尺寸和焊接速度。對于搭接接頭，激光通常穿過(guò)薄材料，理論上，零件尺寸沒(méi)有明確限制。通常使用適度的焦點(diǎn)（800 μm 光斑直徑），并通過(guò)簡(jiǎn)單地平移光束或零件來(lái)產(chǎn)生擴展的焊接區域。然而，對于對接焊縫，激光必須穿過(guò)透明部分的整個(gè)寬度。此外，對于對接焊縫，激光必須同時(shí)焊接零件的整個(gè)邊緣厚度。此外，激光束可以輕松穿過(guò)幾英寸厚的聚碳酸酯，但對于 PTFE、聚乙烯和聚丙烯等其他塑料，透射率通常僅限于幾分之一英寸的零件厚度。根據激光功率、焊接寬度和材料厚度，焊接速度可高達每分鐘數十米。

盡管機器人和平移臺可以焊接更大的零件，但實(shí)際上激光焊接最適合最大尺寸為幾英寸的零件。此外，較大的零件需要更高功率的激光器才能達到可接受的焊接時(shí)間，但這些激光器的成本抵消了激光焊接的一些優(yōu)勢。

通常，激光束通過(guò)光纖傳送到焊接夾具。在批量生產(chǎn)相同零件的情況下，這提供了掃描光束的替代方案。具體來(lái)說(shuō)，激光通過(guò)一束傳遞，該束的形狀可以直接創(chuàng )建預期焊縫的輪廓。圓形、矩形甚至精致的曲線(xiàn)輪廓都可以通過(guò)這種方式產(chǎn)生。

圖中 顯示了使用 30W、810nm 二極管激光系統焊接的兩個(gè)透明聚碳酸酯型塑料板（涂有 Clearweld 薄膜）。下圖顯示了使用 50W 多模 Nd:YAG 激光器的輸出密封的亞克力名片夾。上面的一塊是透明的，另一塊是黑色的。

激光焊接的優(yōu)點(diǎn)

與其他焊接方法甚至粘合劑相比，塑料的激光焊接具有許多優(yōu)勢。首先，熱源和零件之間沒(méi)有物理接觸，因此產(chǎn)品干凈，沒(méi)有碎屑或過(guò)熱材料。激光焊接只會(huì )軟化塑料，焊接區域完全被連接的兩個(gè)部件包圍。因此，該過(guò)程不會(huì )產(chǎn)生煙霧，這可能是一個(gè)重要的安全優(yōu)勢。相比之下，許多粘合劑在固化過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生有毒煙霧。激光焊接還具有速度、靈活性和可控性的優(yōu)勢——調節到達焊接區域的能量非常簡(jiǎn)單。

靜態(tài)小焊縫通常在不到一秒的時(shí)間內完成，薄膜的焊接速度高達每秒幾十米；因此，激光焊接與任何替代工藝一樣快或更快。因為這是一種光學(xué)技術(shù)，它提供了最大的設計/重新設計靈活性。此外，激光能量可以精確地引導到焊接部位，幾乎沒(méi)有外圍熱損傷，使這種技術(shù)成為精密零件的絕佳選擇。

激光焊接還為可以創(chuàng )建的焊接類(lèi)型提供了靈活性。通過(guò)使用緊密聚焦的短焦距光學(xué)器件，該過(guò)程可以創(chuàng )建寬達 100 μm 的精細焊縫?；蛘?，使用更高功率的激光器，光束可以散焦以產(chǎn)生 10 毫米寬的焊縫。

激光技術(shù)/波長(cháng)的選擇

可以激光焊接各種熱塑性塑料，包括聚乙烯、丙烯酸樹(shù)脂和聚碳酸酯。所有這些材料在整個(gè)近紅外光譜區域都表現出低吸收。這意味著(zhù)它們可以與 810–950 nm 波長(cháng)的直接二極管或1064 nm 的Nd:YAG 和 Nd:YVO 4激光器進(jìn)行同樣良好的焊接。在這兩種情況下，最好以 CW 模式而不是脈沖模式操作激光器。這是因為焊接速度最終取決于平均功率和總能量，這兩者在 CW 操作中都更高。

根據經(jīng)驗，1064 nm 的二極管泵浦固態(tài)激光器比直接二極管激光器提供更高的光束質(zhì)量。因此，它們是使用振鏡直接掃描光束的“精密”應用的最佳選擇。在這里，光束可以以高達 6 m/sec 的速度進(jìn)行掃描。這比塑料的熱保持時(shí)間更快，因此允許同時(shí)產(chǎn)生成型焊縫——塑料經(jīng)歷激光束運動(dòng)的時(shí)間平均值。

直接二極管系統的每瓦成本低于二極管泵浦系統。此外，這些激光器通常采用非常小的封裝，這對于集成來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)勢。然而，直接二極管激光器從多模光纖輸出提供相對較差的光束質(zhì)量。然后可以使用重新準直和聚焦光學(xué)器件將其重新成像到焊接區域中。使用 25mm 焦距鏡頭，這會(huì )產(chǎn)生直徑約 600 μm 的典型光斑尺寸?；蛘?，可以將光纖耦合成如前所述的成形束。

概括

總之，使用激光焊接塑料有許多優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)固態(tài)紅外激光器的每瓦成本不斷提高，隨著(zhù)需求和用戶(hù)意識的提高，我們預計這將成為一個(gè)重要的應用。