塑料加工中的激光焊接技术

焊接设备不需要与粘合的塑料部件接触。

很快。

该设备自动化程度高，便于加工复杂的塑料零件。

不会有闪光灯。

焊接牢固。

可以获得高精度的焊接件。

无振动技术。

可以产生气密或真空密封结构。

最小化热损伤和热变形。

不同成分或颜色的树脂可以粘合在一起。激光焊接在塑料件焊接中的优势包括:焊接精确牢固，不透气不漏水，焊接时树脂降解少，产生的碎屑少，产品表面可以在焊缝周围紧密连接。激光焊接具有无残留物的优点，这使其更适用于医疗产品和国家美国食品药品监督管理局控制的电子传感器。

易于控制，可焊接小尺寸或复杂形状结构的工件。由于激光容易被计算机软件控制，光纤激光的输出可以灵活到达零件的所有精细部位，因此激光焊接可以用于焊接其他焊接方法难以到达的区域，可以焊接形状复杂甚至三维几何形状的产品。

与其他焊接方法相比，激光焊接大大降低了产品的振动应力和热应力。这意味着产品或器件内部元件的老化速度较慢，可应用于易损坏的产品。可以焊接多种不同的材料。比如通过近红外激光透射的聚碳酸酯和玻璃纤维增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯可以连接在一起，而通过其他焊接方式不可能将两种结构、软化点、增强材料如此不同的聚合物连接在一起。最常用的激光焊接形式称为激光透射焊接。该技术的过程如下:首先将两个待焊接的塑料部件夹紧在一起，然后将短波红外区的激光束对准待粘接的部件。激光束穿过上面的透明材料，然后被下面的材料吸收。激光能量的吸收使下层材料的温度上升，熔化上层和下层的塑料。鞋面材质可以是透明的，也可以是彩色的，但必须能保证足够的激光通过。

图1:激光透射焊接示意图。

在过去，由于两层透明塑料层无法吸收足够的激光能量，因此无法通过传输技术将它们焊接在一起。同样，由于光束没有足够的穿透能力来加热焊接接触面，所以无法通过透射技术将两个黑层的材料焊接在一起。然而，最近的技术进步使得将这两种材料焊接在一起成为可能。激光透射焊接技术主要使用两种类型的激光设备:一种是Nd3+:YAG晶体，另一种是半导体二极管。Nd3+:YAG激光的波长为1064纳米(nm)，容易被含有特殊填料或颜料的塑料吸收。激光可以很容易地通过光纤传输到激光头，特别是在使用自动化设备的焊接技术中。

二极管激光器产生的波长范围在800-1000nm之间，是焊接最有效的能量区域。它结构紧凑，易于安装在自动化设备上。二极管激光器的吸收特性类似于Nd3+:YAG的吸收特性。

塑料焊接有时使用二氧化碳(CO2)激光。可以产生10600nm光波，比Nd3+:YAG和二极管激光更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能不如其他两种激光。因此，二氧化碳激光主要用于焊接薄膜材料。

激光型CO2 Nd3+:YAG二极管

波长(微米)10.6 1.06 0.8-1.0

最大能量(W) 60，000 6，000 6，000

效率10% 3% 30%

用于传输光束镜面反射光纤、镜面光纤和镜面

最小斑点尺寸(毫米)0.2-0.7(直径)0.1-0.5(直径)0.5x0.5

表1:市场常见塑料激光加工技术对比

采用Nd:YAG或二极管激光透射焊接技术，可将厚度大于1mm的塑料件以大于20 m/min的线速度焊接在一起。二氧化碳激光焊膜速度可高达750米/分钟。几乎所有的热塑性塑料和热塑性弹性体都可以使用激光焊接技术。常用的焊接材料有PP、PS、PC、ABS、聚酰胺、PMMA、聚甲醛、PET、PBT。然而，其他一些工程塑料，如PPS和液晶聚合物，由于其较低的激光透过率，不适合激光焊接技术。因此，经常在底料中加入炭黑，使其能够吸收足够的能量，满足激光透射焊接的要求。

图2:用于激光焊接的聚合物

未填充的或玻璃纤维增强的聚合物材料可用于激光焊接。然而，如果玻璃纤维含量太高，红外激光将被散射，光束穿过聚合物的穿透性将降低。彩色塑料也可用于激光焊接，但随着颜料或染料含量的增加，激光束对塑料的穿透能力会降低。塑料激光焊接有几种不同的焊接方法。

轮廓焊接:激光沿着塑料焊接层的轮廓线移动并熔化，使塑料层逐渐粘合在一起；或者沿着固定的激光束移动夹层来达到焊接的目的。

同时焊接:来自多个二极管激光束沿着焊接层指向轮廓线并熔化塑料，使得整个轮廓线同时熔化并结合在一起。

准同步焊接:该技术结合了上述两种焊接技术。高速激光束(至少10 m/s)由反射镜产生，沿待焊部位移动，使整个焊接部位逐渐升温并融合在一起。

掩膜焊接:激光束通过模板定位、熔化、粘接塑料，只露出下面塑料层很小很精确的焊接部分。利用该技术，可以实现低至10微米的高精度焊接。

图3:顺序环缝焊接、同步焊接和准同步焊接技术(从左至右)

GLOBO Welding是沿着产品轮廓进行焊接，是瑞士Leister公司的专利技术。激光束通过一个可以无摩擦自由滚动的气垫玻璃球逐点聚焦在焊接界面上。玻璃球不仅可以聚焦，还可以充当机械夹具。当球在表面滚动时，它为关节表面提供持续的压力。这确保了激光加热材料时存在压力夹紧。玻璃球取代了机械夹具，扩大了激光焊接在连续三维焊接中的应用范围。在汽车工业中，激光焊接塑料技术可用于制造许多汽车零部件，如喷油嘴、换挡齿条、发动机传感器、驾驶室齿条、液压油箱、滤清器齿条、大灯和尾灯等。其他汽车应用包括制造进气歧管和辅助水泵。

图4:采用激光焊接技术加工的汽车大灯，采用玻璃球面，既能聚焦激光，又能起到夹紧工具的作用。

在医学领域，激光焊接技术可用于制造液体储罐、液体过滤设备、软管连接器、造口袋、助听器、植入物、用于分析的微流体装置等。

图5:通过激光焊接技术制造的微流体装置，其利用了该技术的高精度。

激光焊接是一种无振动技术，因此特别适合加工精密电子元件。激光技术制造的设备有鼠标、手机、连接设备等。利用激光技术制造的汽车电子产品包括自动门锁、无钥匙进入和退出装置以及传感器。

激光还可以将塑料薄膜焊接在一起，薄膜沿薄膜边缘移动，通过粘合形成封装的密封结构。操作过程可以很快完成。根据TWI的资料，使用100W CO2激光，以100 m/min的速度焊接100微米聚乙烯薄膜。

图6:通过激光焊接的两个聚乙烯薄膜的显微图像。