工業(yè)激光器被廣泛應(yīng)用于工程塑料的各種加工，服務(wù)著眾多行業(yè)市場。一些常見的塑料加工應(yīng)用包括激光打標(biāo)、激光切割和激光焊接。激光塑料焊接主要應(yīng)用在汽車和醫(yī)療器械領(lǐng)域。

Plasticwelding：塑料焊接； 

plasticcutting ：塑料切割；

plasticengraving：塑料雕刻；

thermoplasts：熱塑性塑料；

duroplasts：硬質(zhì)體塑料；

elastomers：彈性體塑料；

Foaming：發(fā)泡處理；

Carbonizing：碳化處理

為什么用激光塑料焊接?

相比于傳統(tǒng)的接觸式焊接，激光塑料焊接優(yōu)勢明顯。首先，激光焊接是無接觸式焊接；其次，焊點(diǎn)位置通常位于兩個重疊件的界面處，焊接區(qū)域被隱藏，看起來比較美觀，并且不污染焊接零件的表面。因此，從外觀來看，無法判斷兩個相接觸的零件已經(jīng)從上到下焊接在一起。

傳統(tǒng)的塑料焊接技術(shù)，如超聲波或熱沖壓，兩塊塑料焊接在一起都不可避免地影響外表面。非接觸激光塑料焊接，利用激光在聚合物鏈中部分透射、反射、散射以及吸收實(shí)現(xiàn)焊接。通過選擇合適的激光參數(shù)，可以在塑料的選定位置產(chǎn)生足夠的熱量，以實(shí)現(xiàn)熔化和粘接。

激光焊接工藝應(yīng)該在產(chǎn)品開發(fā)的早期就建立起來。有些不是為激光焊接專門研發(fā)的塑料產(chǎn)品，有時也能用激光實(shí)現(xiàn)焊接；但如果在塑料產(chǎn)品研發(fā)的早期階段，就將激光焊接工藝考慮進(jìn)來，將會大大減少激光焊接中可能出現(xiàn)的一些問題。熱力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)相適配

塑料的熔點(diǎn)比金屬低很多。工程塑料的熔點(diǎn)約為250°C。有些塑料的熔點(diǎn)要高一些，例如聚醚醚酮（PEEK），熔點(diǎn)在350~400℃之間。當(dāng)兩種塑料的熔點(diǎn)溫度相匹配的時候，有助于熔池的混合，提高再凝固時的機(jī)械強(qiáng)度。熔化溫度相匹配的兩種塑料，特別適合用激光焊接。

此外，塑料的化學(xué)成分也是一個重要的影響因素。例如，盡管高密度聚乙烯（HDPE）與低密度聚丙烯（PP）屬于同族材料，但是這兩種塑料卻無法焊接到一起。而低密度聚乙烯（LDPE）與聚丙烯就能實(shí)現(xiàn)焊接。因此激光塑料焊接必須要考慮被焊材料的組合。

光學(xué)性質(zhì)匹配

在材料加工中，所用的激光是單色或者帶寬很窄的相干可聚焦光束，波長在800nm~2μm范圍內(nèi)的近紅外和紅外激光，在塑料焊接中應(yīng)用最為廣泛。這些波長比人眼可見的532nm的綠光及635nm的紅光要長。激光波長為800~2000nm時，被焊接的塑料必須在這個范圍內(nèi)有一定程度的透射和吸收。

塑料一般是半晶態(tài)結(jié)構(gòu)，有晶相和非晶相。激光照射塑料時，除了引起透射和吸收外，非晶態(tài)和晶態(tài)之間的折射率差異，還會對激光產(chǎn)生散射和反射。半晶態(tài)結(jié)構(gòu)對焊接的影響，主要取決于對激光產(chǎn)生的散射和反射的強(qiáng)度。因此，通過有效的光學(xué)設(shè)計，可以讓激光透過上層塑料，在下層塑料上產(chǎn)生吸收（見圖3）。有時，需要在塑料中摻入添加劑，提高對激光的吸收能力。在塑料產(chǎn)品的設(shè)計階段就應(yīng)該考慮摻入添加劑是否合適——例如在用于醫(yī)療器械的塑料中摻入添加劑能否通過FDA測試？

零件裝配和固定

塑料零件應(yīng)該確保被塑型成某種幾何形狀，通過裝配部件的良好配合，使其適合激光塑料焊接，并確保接頭處可以充分貼合。由于激光不易在空氣間隙中傳遞熱量，因此，激光焊接時，零件的焊接部位應(yīng)保持充分接觸。搭接焊就是一個很好的例子。在某些情況下，對接焊也能實(shí)現(xiàn)很好的焊接質(zhì)量，這在很大程度上取決于激光束如何作用于焊縫，以及塑料成型機(jī)產(chǎn)生的零件公差。將蓋子焊接到容器上就是一個很好的零件配合的案例。

在焊接過程中實(shí)施向下的力，對焊接復(fù)雜的零件來說是必不可少的，特別是對于那些難以在其邊界自然地實(shí)現(xiàn)良好裝配的大型零件。夾緊力可以通過伺服驅(qū)動產(chǎn)生，也可以通過氣動夾緊產(chǎn)生。塑料焊接時有一個坍塌力，它決定了塑料在受熱熔化變形之前能承受多大的力，以及熔化時將零件推到一起需要多大的力。通常，激光塑料焊接過程中，通過集成力-位移傳感器來監(jiān)測和控制在焊接過程中施加在零件上的力。

有效控制熱量

在激光焊接中，將激光傳輸?shù)焦ぜ姆椒ㄓ卸喾N。在此簡單介紹幾種方法。第一種，保持激光焊接頭固定，XYZR工作臺相對激光頭運(yùn)動。由于運(yùn)動平臺在開始和停止點(diǎn)以及改變方向時需要加速，因此在焊接時可能不會導(dǎo)致大型部件的均勻加熱。然而，這種焊接方法很靈活，因?yàn)榧す饴窂娇梢酝ㄟ^CAD數(shù)據(jù)生成。

第二種方法是使用高速振鏡使激光束以10m/s的速度快速移動。高功率激光束以非常高的速度移動，可以使整個焊縫從一端到另一端幾乎瞬間加熱，加熱比較同步且均勻。

第三種方法是用激光透過掩膜照射零件。這種方法需要掩膜孔徑與焊縫形狀一致。每當(dāng)焊縫形狀變化的時候掩膜就得重新制作，因此這種方法靈活性不大。

第四種方法使用率不太高，是用專門的激光透鏡，產(chǎn)生一個線狀焦點(diǎn)，在規(guī)定方向上實(shí)現(xiàn)縫合焊縫。在焊接過程中可能需要控制激光功率，通過高溫計測量焊接過程中的工件溫度，并將此信息反饋給激光控制器的功率控制回路。

總結(jié)

本文介紹了激光塑料焊接過程中的一些基本考量因素。最重要的是，塑料產(chǎn)品本身的設(shè)計必須要適合激光焊接——這就要求在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，研發(fā)團(tuán)隊就應(yīng)該與客戶合作，充分了解激光焊接的要點(diǎn)。生產(chǎn)復(fù)雜塑料產(chǎn)品的模具制造成本很高，模具設(shè)計者必須事先了解面向激光焊接存在的模具設(shè)計與制造問題。解決了模具問題，就可以確保從模具上下來的塑料零件的幾何形狀可以直接進(jìn)行激光焊接。

激光塑料焊接在工業(yè)中的應(yīng)用越來越深入，從汽車燈組件到噴墨打印機(jī)墨盒等各種大批量產(chǎn)品的制造，都用到了激光塑料焊接。