塑料激光焊接有哪些工藝要求？

一、激光波長

激光焊接工藝一般采用金屬材料YAG或者CO2激光作為光源，塑料焊接也不例外。隨著半導(dǎo)體材料工業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體激光作為光源逐漸得到應(yīng)用。

其中，前兩種廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)材料加工行業(yè)，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀撰@得大功率;由于塑料激光焊接對光源功率要求低，但對可控性和可操作性要求高，半導(dǎo)體激光在塑料焊接中也非常有用。

CO2.Nd:YAG和半導(dǎo)體激光器的三光源的波長.最大功率.最小聚焦直徑等參數(shù)的典型值如下：

CO2激光：波長較長，10.6微米屬于遠(yuǎn)紅外波段。一般來說，塑料材料對這種波長有很好的吸收。目前最大輸出功率為50.kW，轉(zhuǎn)換效率約為10%，最小聚焦直徑約為0%.2～0.7mm。熱作用區(qū)域深度較深，適用于焊接較厚的塑料材料。CO激光不能用光纖傳輸，只能用光纖傳輸$&*剛性傳輸光路由透鏡反射鏡組成，影響激光頭的可操作性。

Nd:YAG激光：波長短，為1.06微米是近紅外波長，不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)化效率為3%，最小焦點(diǎn)直徑為0.1～0.5mm。Nd:YAG激光具有聚焦面積小、光纖傳輸方便的特點(diǎn)。激光頭可安裝在機(jī)器人臂上，實(shí)現(xiàn)數(shù)控和精密自動焊接過程;另一方面，焊接材料可以通過上層焊接材料更好地吸收下層焊接材料或中間層，實(shí)現(xiàn)焊接。

半導(dǎo)體激光：波長0.8～1.0微米，最大輸出功率6kW，轉(zhuǎn)換效率30%，最小焦點(diǎn)直徑0%.5mm。由于其輸出輸出功率小，適用于焊接激光功率要求低的場合，如小型塑料器件的精密焊接。半導(dǎo)體激光能量轉(zhuǎn)換效率高，易于實(shí)現(xiàn)激光的小型化和便攜性。

二、塑料材料

可用激光焊接的塑料屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都可以用激光焊接。

塑料激光焊接技術(shù)對焊接塑料的要求是：熱作用區(qū)域的材料需要良好的激光光波吸收;不屬于熱作用區(qū)域的材料需要良好的光波滲透性，特別是在兩個薄塑料部件的疊加焊接中。一般來說，在熱作用區(qū)域的塑料中添加吸收劑可以達(dá)到這個目的。目前，使用激光焊接的單成分塑料包括：

PMMA――聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)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-尼龍6.Nylon66-尼龍66.PS-PS樹脂等。

以上各種塑料制成的塑料件，如模塑塑料制品.塑料板.薄膜.人造橡膠.纖維甚至紡織品都可以作為焊接對象。由于激光焊接具有傳統(tǒng)焊接所沒有的小熱效應(yīng)區(qū).因此，上述單體材料也可述各種單體材料也可以焊接。

二、吸收劑

吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接過程中一個非常重要的過程。正如前面提到的，塑料激光焊接的本質(zhì)是熔化熱作用區(qū)的待焊塑料，然后冷卻塑料零件的自然連接。塑料部件需要吸收足夠的激光能量來熔化塑料。塑料本身可以高吸收率吸收激光能量，但一般不添加吸收劑，光波吸收不是很好，吸收效率很低，熔化效率不理想。

一般來說，理想的吸收劑是炭黑。炭黑基本上可以吸收紅外波長的所有激光能量，從而大大提高塑料的熱吸收效果，加快熱作用區(qū)材料的熔化.效果更好。其它顏色的一些染料也能起到同樣的吸光效果。

英國焊接學(xué)會開發(fā)了一種透明的可見光染料。使用這種染料作為吸收劑可以獲得透明的塑料焊縫。碳黑不僅吸收紅外波段的激光光波，還吸收可見光波，這也是碳黑看起來是黑色的原因。與母材的顏色不同，使用炭黑作為吸收劑會加深激光焊接的顏色。TWI可見光透明染料只吸收紅外波段的電磁波，不吸收可見光，因此焊縫似乎仍然透明。

在許多情況下，塑料焊接要求成品美觀.精致，因此與炭黑相比，對可見光透明的染料吸收劑十分流行。

添加吸收劑的方法有三種：一種是將吸收劑直接滲透到待焊接材料中，將滲透吸收劑的塑料部件放在下面，將無滲透吸收劑的塑料部件放在上面，使激光波通過;二是將吸收劑滲透到待焊接塑料部件表面，使部分被吸收劑滲透的塑料成為熱作用區(qū)并熔化;第三，在兩個待焊接塑料部件的接觸處噴涂或打印吸收劑。

四、其他參數(shù)

與金屬焊接不同，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，塑料零件上的熱效應(yīng)區(qū)域越大.越深，材料就會過熱.變形.甚至損壞。激光功率應(yīng)根據(jù)需要融化的深度來選擇。

塑料激光焊接速度比較快，一般得1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min;而采用高功率CO2激光焊接塑料薄膜，最高速度可達(dá)到750m/min。

五、軟件

在激光焊接系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)軟件的作用是激光頭的運(yùn)動軌跡和速度.數(shù)字控制激光功率等一般工藝參數(shù)，提高加工速度和精度.提高加工質(zhì)量的目的與傳統(tǒng)激光加工中的軟件控制沒有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收劑的特殊作用，塑料激光焊接控制系統(tǒng)和加工系統(tǒng)各有特點(diǎn)。

為軟件提供的輸入數(shù)據(jù)包括

塑料材料特性：厚度、顏色;

焊接數(shù)據(jù)：焊接區(qū)域形狀的復(fù)雜性.寬度.焊接速度;

激光特性：功率：、紅外透光率等。

通過計(jì)算和篩選，軟件給出的輸出結(jié)果包括：吸收劑類型.在焊接過程中，激光光波在上層材料中的能量損失。

軟件的計(jì)算結(jié)果非常接近實(shí)際焊接測量結(jié)果。圖6顯示了焊接后產(chǎn)生的熱影響區(qū)域(HAZ)將大小的計(jì)算值與實(shí)際測量值進(jìn)行比較，使用的塑料材料為PMMA。

可以看出，軟件計(jì)算結(jié)果非常接近測量結(jié)果。由于塑料激光焊接具有較強(qiáng)的規(guī)律性和良好的可預(yù)測性，使用軟件計(jì)算和篩選方法預(yù)測結(jié)果是非常有效和可行的。