塑料激光焊接有哪些工艺要求

一、激光波长

激光焊接工艺一般采用金属材料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逐渐得到应用。

其中，前两种广泛应用于传统材料加工行业，因为它们容易获得大功率；由于塑料激光焊接对光源功率要求低，但对可控性和可操作性要求高，半导体激光在塑料焊接中也非常有用。

CO2.Nd:YAG和半导体激光器的三光源的波长.最大功率.最小聚焦直径等参数的典型值如下：

1. CO2激光：波长较长，10.6微米属于远红外波段。一般来说，塑料材料对这种波长有很好的吸收。目前最大输出功率为50。kW，转换效率约为10%，最小聚焦直径约为0%.2～0.7mm。热作用区域深度较深，适用于焊接较厚的塑料材料。CO激光不能用光纤传输，只能用光纤传输$&*刚性传输光路由透镜反射镜组成，影响激光头的可操作性。

2. Nd:YAG激光：波长短，为1.06微米是近红外波长，不易被塑料吸收。最大输出功率6kW，转化效率为3%，最小焦点直径为0.1～0.5mm。Nd:YAG激光具有聚焦面积小、光纤传输方便的特点。激光头可安装在机器人臂上，实现数控和精密自动焊接过程；另一方面，焊接材料可以通过上层焊接材料更好地吸收下层焊接材料或中间层，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，转换效率30%，最小焦点直径0%.5mm。由于其输出输出功率小，适用于焊接激光功率要求低的场合，如小型塑料器件的精密焊接。半导体激光能量转换效率高，易于实现激光的小型化和便携性。
   

二、塑料材料

可用激光焊接的塑料属于热塑性塑料。理论上，所有热塑性塑料都可以用激光焊接。

塑料激光焊接技术对焊接塑料的要求是：热作用区域的材料需要良好的激光光波吸收；不属于热作用区域的材料需要良好的光波渗透性，特别是在两个薄塑料部件的叠加焊接中。一般来说，在热作用区域的塑料中添加吸收剂可以达到这个目的。目前，使用激光焊接的单成分塑料包括：

PMMA――聚甲基丙烯酸甲酯(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，Nylon6－尼龙6，Nylon66－尼龙66，PS－PS树脂等。

以上各种塑料制成的塑料件，如模塑塑料制品.塑料板.薄膜.人造橡胶.纤维甚至纺织品都可以作为焊接对象。由于激光焊接具有传统焊接所没有的小热效应区.因此，上述单体材料也可述各种单体材料也可以焊接。

二、吸收剂

吸收剂的应用是塑料激光焊接过程中一个非常重要的过程。正如前面提到的，塑料激光焊接的本质是熔化热作用区的待焊塑料，然后冷却塑料零件的自然连接。塑料部件需要吸收足够的激光能量来熔化塑料。塑料本身可以高吸收率吸收激光能量，但一般不添加吸收剂，光波吸收不是很好，吸收效率很低，熔化效率不理想。

一般来说，理想的吸收剂是炭黑。炭黑基本上可以吸收红外波长的所有激光能量，从而大大提高塑料的热吸收效果，加快热作用区材料的熔化.效果更好。其它颜色的一些染料也能起到同样的吸光效果。

英国焊接学会开发了一种透明的可见光染料。使用这种染料作为吸收剂可以获得透明的塑料焊缝。碳黑不仅吸收红外波段的激光光波，还吸收可见光波，这也是碳黑看起来是黑色的原因。与母材的颜色不同，使用炭黑作为吸收剂会加深激光焊接的颜色。TWI可见光透明染料只吸收红外波段的电磁波，不吸收可见光，因此焊缝似乎仍然透明。

在许多情况下，塑料焊接要求成品美观.精致，因此与炭黑相比，对可见光透明的染料吸收剂十分流行。

添加吸收剂的方法有三种：一种是将吸收剂直接渗透到待焊接材料中，将渗透吸收剂的塑料部件放在下面，将无渗透吸收剂的塑料部件放在上面，使激光波通过；二是将吸收剂渗透到待焊接塑料部件表面，使部分被吸收剂渗透的塑料成为热作用区并熔化；第三，在两个待焊接塑料部件的接触处喷涂或打印吸收剂。

四、其他参数

与金属焊接不同，塑料激光焊接所需的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料零件上的热效应区域越大.越深，材料就会过热.变形.甚至损坏。激光功率应根据需要融化的深度来选择。

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

五、软件

在激光焊接系统中，计算机软件的作用是激光头的运动轨迹和速度.数字控制激光功率等一般工艺参数，提高加工速度和精度.提高加工质量的目的与传统激光加工中的软件控制没有什么不同，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各有特点。

为软件提供的输入数据包括

1. 塑料材料特性：厚度、颜色；

2. 焊接数据：焊接区域形状的复杂性.宽度.焊接速度；

3. 激光特性：功率：、红外透光率等。

4. 通过计算和筛选，软件给出的输出结果包括：吸收剂类型.在焊接过程中，激光光波在上层材料中的能量损失。

5. 软件的计算结果非常接近实际焊接测量结果。图6显示了焊接后产生的热影响区域（HAZ）将大小的计算值与实际测量值进行比较，使用的塑料材料为PMMA。

6. 可以看出，软件计算结果非常接近测量结果。由于塑料激光焊接具有较强的规律性和良好的可预测性，使用软件计算和筛选方法预测结果是非常有效和可行的。