塑料激光焊接的工艺要求

2005/3/18/14:111．激光的波长

    在金属材料的激光焊接工艺中，一般采用YAG或者CO2激光作为光源，塑料焊接也不例外。随着半导体材料工业的快速发展，半导体激光作为光源也渐渐得到了应用。

    三者之中，由于易于获得较大功率，前两者在传统的材料加工工业中的使用较为普遍；而由于塑料激光焊接对光源功率大小要求不高，但对可控性和易操作性要求较高，因此半导体激光在塑料焊接中也很有用武之地。

    CO2、Nd:YAG和半导体激光三种光源的波长、最大功率、最小聚焦直径等参数的典型值如下所列：

    1．CO2激光：波长较长，为10.6微米，属远红外波段，一般情况下塑料材料对这一波长的吸收情况好。目前最大输出功率达50kW，转化效率约10％，最小聚焦直径约0.2～0.7mm。焊接塑料时热作用区深度较深，适合于需要焊接较厚的塑料材料。CO2激光不能用光纤传输，只能$&*透镜反射镜组成的光学系统来构建刚性传输光路，从而影响激光头的操作性。

    2．Nd:YAG激光：波长较短，为1.06微米，属近红外区波长，不易被塑料吸收。最大输出功率6kW，转化效率为3％，最小聚焦直径0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特点是聚焦区域小，可以方便地通过光纤传输来构建光路，可将激光头装到机器人手臂上，实现焊接过程的数控和精密自动化；另一方面可以较好地透过上层的待焊接材料，到达下层待焊接材料或者中间层而被吸收，从而实现焊接。

    3．半导体激光：波长0.8～1.0微米，最大输出功率6kW，转化效率30％，最小聚焦直径0.5mm。由于其输出输出功率较小，适用于焊接激光功率要求较低的场合,如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转化效率高,易于实现激光器的小型化和便携化。

2．塑料材料

    能够被激光焊接的塑料均属于热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。

    塑料激光焊接技术对被焊接塑料的要求为：在热作用区内的材料，要求对激光光波的吸收性好；不属于热作用区部分的材料，则要求对光波的透过性好，尤其在对两件薄塑料件进行叠焊时更是如此。一般向热作用区塑料中添加吸收剂可以达到目的。目前能够使用激光焊接的单种成分塑料包括：

    PMMA——聚甲基丙烯酸甲脂（有机玻璃），PC塑料，ABS塑料, LDPE－低密度聚乙烯塑料，HDPE－高密度聚乙烯塑料，PVC－聚氯乙稀塑料，Nylon 6－尼龙6，Nylon 66－尼龙66，PS－PS树脂，等等。

    上述各种塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡胶、纤维甚至纺织物都可以作为被焊接的对象。由于激光焊接具有传统焊接不具备的热作用区小、控制精确容易的特点，因此上述各种单体材料之间也可以进行焊接。

3．吸收剂

    吸收剂的应用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。如前所述，塑料激光焊接的本质是将热作用区的待焊接塑料融化，随后冷却自然实现塑料件的接合。让塑料融化需要使塑料件吸收足够的激光能量。塑料自身能够以较高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收剂的情况下，塑料对光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。

    通常理想的吸收剂是碳黑，碳黑能够将红外波长的激光能量基本全部吸收，从而大大提高塑料的热吸收效果，使得热作用区的材料融化更快、效果更好。一些其他颜色的染料也能够起到相同的吸收光波的效果。

    英国焊接学会（TWI，The Welding Institute）研制出了一种对可见光透明的染料。用这种染料做吸收剂，可以得到透明的塑料焊缝。碳黑在吸收红外波段的激光光波的同时，也吸收可见光波，这也是碳黑看起来为黑色的原因，用碳黑作吸收剂会使激光焊接焊缝颜色变深，与母材颜色不同。TWI研制出的对可见光透明的染料只吸收红外波段的电磁波，不吸收可见光，因此看起来焊缝仍然是透明的。

    很多情况下，塑料焊接要求成品美观、精致，因此相比碳黑，对可见光透明的染料吸收剂非常受青睐。

    添加吸收剂的方法有3种：一是直接向待焊接材料中渗入吸收剂，这样应该将渗过吸收剂的塑料件放在下面，而把没有渗吸收剂的塑料件放在上面，让激光光波通过；二是向塑料件待焊接的表面渗吸收剂，这样只有被渗透了吸收剂的一部分塑料将成为热作用区而被融化；三是在两块待焊接塑料件的接触处喷涂上或者印刷上吸收剂。

4．其他参数

    与金属焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的热作用区就越大、越深，将导致材料过热、变形、甚至损坏。应该根据需要融化的深度来选择激光功率。

    塑料激光焊接的速度比较快，一般得到1mm厚焊缝的焊接速度可达20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以达到750m/min。

5．软件

    激光焊接系统中，计算机软件的作用是对激光头的运动轨迹和速度、激光功率等一般性的工艺参数进行数字化控制，以达到提高加工速度和精度、改善加工质量的目的，这些与传统的激光加工中的软件控制并没有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收剂的特殊作用，塑料激光焊接控制系统和加工系统又有其自身的特色。

    英国TWI研究所结合其ClearWeld塑料焊接工艺，设计开发了计算预测吸收剂用量及用法的软件。根据不同材料的厚度、颜色、吸收比率等，结合激光器的功率、光波透过率等参数，在焊接前用软件计算吸收剂的用量和添加方法，再根据预测的用量添加吸收剂。

    提供给软件的输入数据包括：塑料材料特性：种类、厚度、颜色；焊接数据：焊接区域形状复杂程度、宽度、焊接速度；激光器特性：功率、红外光透过率等。

    经过计算和筛选，软件给出的输出结果包括：吸收剂种类、用量及要求的添加方式的列表，焊接过程中激光光波在上层材料中的能量损失。

    软件的计算结果与实际焊接测量的结果很接近，图6为焊接后生成的热影响区（HAZ）大小的计算值和实际测量值的对比，所用塑料材料为PMMA。

    可见，软件计算结果与实测结果非常接近。由于塑料激光焊接的规律性较强，有较好的可预测性，因此，采用软件计算筛选方法预测结果是非常有效和可行的。