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(chǎng)。一些常見(jiàn)的塑料加工應(yīng)用包括激光打標(biāo)、激光切割和激光焊接（見(jiàn)圖1）。激光塑料焊接主要應(yīng)用在汽車(chē)和醫(yī)療器械領(lǐng)域。
圖1：激光塑料焊接
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(shì)明顯。首先，激光焊接是無(wú)接觸式焊接；其次，焊點(diǎn)位置通常位于兩個(gè)重疊件的界面處，焊接區(qū)域被隱藏，看起來(lái)比較美觀，并且不污染焊接零件的表面。因此，從外觀來(lái)看，無(wú)法判斷兩個(gè)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(guò)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(kāi)發(fā)的早期就建立起來(lái)。有些不是為激光焊接專(zhuān)門(mén)研發(fā)的塑料產(chǎn)品，有時(shí)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(lái)，將會(huì)大大減少激光焊接中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題。
設(shè)計(jì)考量
圖2：激光塑料焊接的設(shè)計(jì)考量
Successfullaser plastic weld：成功的激光塑料焊接
Correct choiceof plastics: Thermal and chemical compatibility：正確選擇塑料類(lèi)型：熱力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)適配
Effectivedelivery method for laser beam to part：激光束到達(dá)零件的有效傳輸方法
Matching ofoptical properties of plastics and laser beam：塑料的光學(xué)性質(zhì)與激光束匹配
Sufficientpart fit-up and fixturing forces along part extremities：沿零件末端有足夠的裝配力和固定力
塑料產(chǎn)品具有優(yōu)異的機(jī)械、幾何、熱力學(xué)和光學(xué)等特性（見(jiàn)圖2），因此塑料產(chǎn)品的激光可焊接性由以下因素決定：
所選擇的材料是否適配？適配性是指被焊接的兩種塑料，在熔化溫度、化學(xué)性能、機(jī)械特性以及幾何和光學(xué)屬性方面所表現(xiàn)出的特性，是否適合焊接在一起。
激光束能否有效地通過(guò)上層塑料傳輸?shù)浇唤缑妫约暗讓铀芰夏芊裨诤附訁^(qū)吸收激光能量產(chǎn)生熱量？
在焊接過(guò)程中，零件是否能夠有效地貼合在一起，施加的力是否能夠控制？零件的幾何形狀是否能讓零件很好地貼合而不會(huì)產(chǎn)生間隙？
在幾何形狀固定的情況下，激光能量能否有效地傳遞到塑料零件并產(chǎn)生熱量？
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(shí)候，有助于熔池的混合，提高再凝固時(shí)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(gè)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)比人眼可見(jiàn)的532nm的綠光及635nm的紅光要長(zhǎng)。激光波長(zhǎng)為800~2000nm時(shí)，被焊接的塑料必須在這個(gè)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(shí)，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(huì)對(duì)激光產(chǎn)生散射和反射。半晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)焊接的影響，主要取決于對(duì)激光產(chǎn)生的散射和反射的強(qiáng)度。因此，通過(guò)有效的光學(xué)設(shè)計(jì)，可以讓激光透過(guò)上層塑料，在下層塑料上產(chǎn)生吸收（見(jiàn)圖3）。有時(shí)，需要在塑料中摻入添加劑，提高對(duì)激光的吸收能力。在塑料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(guò)FDA測(cè)試？
圖3：塑料焊接中理想化的激光傳輸和吸收模型
Infrared laserbeam：紅外激光
Top plasticpart, transmission：上層塑料，透光
Lower plasticpart, absorption：下層塑料，吸光
Encapsulatedlaser weld at plastic interface: 塑料接觸界面焊縫被密封
一些塑料中含有玻璃纖維（如聚酰胺PA-66，通常稱為尼龍）。玻璃纖維的含量，會(huì)影響激光的透過(guò)率，玻璃纖維濃度較高的地方，激光透射率較低。
關(guān)于塑料焊接的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是：哪些顏色的塑料可以焊接在一起？這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有統(tǒng)一答案，事實(shí)上許多顏色組合的塑料都能焊接在一起。
此外，通過(guò)對(duì)塑料成分的精心設(shè)計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)同種顏色塑料，如透明塑料、白色塑料、黑色塑料之間的激光焊接。可見(jiàn)光一般不能透過(guò)彩色塑料，而單色波長(zhǎng)的激光卻有可能透過(guò)。
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(guò)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(shí)，零件的焊接部位應(yīng)保持充分接觸。搭接焊就是一個(gè)很好的例子。在某些情況下，對(duì)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(gè)很好的零件配合的案例。
在焊接過(guò)程中實(shí)施向下的力，對(duì)焊接復(fù)雜的零件來(lái)說(shuō)是必不可少的，特別是對(duì)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(guò)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，也可以通過(guò)氣動(dòng)夾緊產(chǎn)生。塑料焊接時(shí)有一個(gè)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(shí)將零件推到一起需要多大的力。通常，激光塑料焊接過(guò)程中，通過(guò)集成力-位移傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和控制在焊接過(guò)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(jiǎn)單介紹幾種方法。第一種，保持激光焊接頭固定，XYZR工作臺(tái)相對(duì)激光頭運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在開(kāi)始和停止點(diǎn)以及改變方向時(shí)需要加速，因此在焊接時(shí)可能不會(huì)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^(guò)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(dòng)。高功率激光束以非常高的速度移動(dòng)，可以使整個(gè)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(guò)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(shí)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(zhuān)門(mén)的激光透鏡，產(chǎn)生一個(gè)線狀焦點(diǎn)，在規(guī)定方向上實(shí)現(xiàn)縫合焊縫。在焊接過(guò)程中可能需要控制激光功率，通過(guò)高溫計(jì)測(cè)量焊接過(guò)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(guò)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(jì)必須要適合激光焊接——這就要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jì)者必須事先了解面向激光焊接存在的模具設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題。解決了模具問(wèn)題，就可以確保從模具上下來(lái)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(lái)越深入，從汽車(chē)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。
