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塑料的激光焊接技术及应用(上)

摘要:塑料激光焊接的特点与金属材料的激光焊接有较大的不同。本文论述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光设备，焊接工艺以及塑料激光焊接在工业生产中的应用。塑料激光焊接的工艺涉及焊接吸收剂、激光波长、被焊材料的特性和要求、加工系统控制软件等等。

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一、前言

自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。

随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良、能提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍。

当前，激光所能够焊接的材料，除了传统的金属材料之外，其范围正在逐步扩大，在例如陶瓷等非金属材料上的使用也越来越多；而塑料作为有机材料的代表之一，也被用来作为激光焊接高速线性往复磨擦磨损实验机（振动磨擦磨损实验机）的对象，能够用激光实现焊接的塑料必须是热固性的。20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上;但直到20世纪90年代,才取得了大规模的工业应用[1]。见于文献报道的最痱子粉早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度为1.5毫米）[2]。

直到目前，由于激光器技术的限制以及塑料材料本身固有的强度低、耐热性差、易变形等特点，在塑料工业中，激光作为焊接工具还不是非常普遍[3]；塑料激光焊接的成品，也仅仅限于包装、医疗器械、微电子产品等方面。但是，随着塑料材料和各种激光器及激光加工机的快速发展，塑料激光焊接技术的研究和应用也必将越来越广泛。

二、塑料激光焊接的原理

塑料激光焊接的基本原理与金属材料激光焊接的基本原理相近。激光作为一种焊接用热源，具有准直性优良、光束能量密度高、作用区域小等优点。在焊接过程中，通过反射镜、透镜或光纤组成的光路自助旅游系统，将激光器产生的光束聚焦于待焊接区域，形成热作用区；在热作用区中的塑料被融化；在随后的凝固过程中，已融化的材选按 豫备开车 钮料形成接头，待焊接的部件即被连接起来[4]。

由于被焊接材料具有本质上的不同，塑料激光焊接的特点和具体工艺与传统金属焊接也有比较大的差别[7]。

三、塑料激光焊接的工艺

1．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[8]。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机床维修。

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[9]：

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[9]。

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[10]。

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[11]：

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[12]。地面插座(待续)

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