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。一些常見的塑料加工應(yīng)用包括激光打標、激光切割和激光焊接（見圖1）。激光塑料焊接主要應(yīng)用在汽車和醫(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)勢明顯。首先，激光焊接是無接觸式焊接；其次，焊點位置通常位于兩個重疊件的界面處，焊接區(qū)域被隱藏，看起來比較美觀，并且不污染焊接零件的表面。因此，從外觀來看，無法判斷兩個相接觸的零件已經(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、散射以及吸收實現(xiàn)焊接。通過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，以實現(xiàn)熔化和粘接。
激光焊接工藝應(yīng)該在產(chǎn)品開發(fā)的早期就建立起來。有些不是為激光焊接專門研發(fā)的塑料產(chǎn)品，有時也能用激光實現(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來，將會大大減少激光焊接中可能出現(xiàn)的一些問題。
設(shè)計考量
圖2：激光塑料焊接的設(shè)計考量
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)異的機械、幾何、熱力學(xué)和光學(xué)等特性（見圖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上層塑料傳輸?shù)浇唤缑?，以及底層塑料能否在焊接區(qū)吸收激光能量產(chǎn)生熱量？
在焊接過程中，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
塑料的熔點比金屬低很多。工程塑料的熔點約為250°C。有些塑料的熔點要高一些，例如聚醚醚酮（PEEK），熔點在350~400℃之間。當兩種塑料的熔點溫度相匹配的時候，有助于熔池的混合，提高再凝固時的機械強度。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法焊接到一起。而低密度聚乙烯（LDPE）與聚丙烯就能實現(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。這些波長比人眼可見的532nm的綠光及635nm的紅光要長。激光波長為800~2000nm時，被焊接的塑料必須在這個范圍內(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，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，還會對激光產(chǎn)生散射和反射。半晶態(tài)結(jié)構(gòu)對焊接的影響，主要取決于對激光產(chǎn)生的散射和反射的強度。因此，通過有效的光學(xué)設(shè)計，可以讓激光透過上層塑料，在下層塑料上產(chǎn)生吸收（見圖3）。有時，需要在塑料中摻入添加劑，提高對激光的吸收能力。在塑料產(chǎn)品的設(shè)計階段就應(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FDA測試？
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，會影響激光的透過率，玻璃纖維濃度較高的地方，激光透射率較低。
關(guān)于塑料焊接的一個常見問題是：哪些顏色的塑料可以焊接在一起？這個問題沒有統(tǒng)一答案，事實上許多顏色組合的塑料都能焊接在一起。
此外，通過對塑料成分的精心設(shè)計，也可以實現(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。可見光一般不能透過彩色塑料，而單色波長的激光卻有可能透過。
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，零件的焊接部位應(yīng)保持充分接觸。搭接焊就是一個很好的例子。在某些情況下，對接焊也能實現(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，以及塑料成型機產(chǎn)生的零件公差。將蓋子焊接到容器上就是一個很好的零件配合的案例。
在焊接過程中實施向下的力，對焊接復(fù)雜的零件來說是必不可少的，特別是對于那些難以在其邊界自然地實現(xiàn)良好裝配的大型零件。夾緊力可以通過伺服驅(qū)動產(chǎn)生，也可以通過氣動夾緊產(chǎn)生。塑料焊接時有一個坍塌力，它決定了塑料在受熱熔化變形之前能承受多大的力，以及熔化時將零件推到一起需要多大的力。通常，激光塑料焊接過程中，通過集成力-位移傳感器來監(jiān)測和控制在焊接過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。在此簡單介紹幾種方法。第一種，保持激光焊接頭固定，XYZR工作臺相對激光頭運動。由于運動平臺在開始和停止點以及改變方向時需要加速，因此在焊接時可能不會導(dǎo)致大型部件的均勻加熱。然而，這種焊接方法很靈活，因為激光路徑可以通過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。高功率激光束以非常高的速度移動，可以使整個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。每當焊縫形狀變化的時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，是用專門的激光透鏡，產(chǎn)生一個線狀焦點，在規(guī)定方向上實現(xiàn)縫合焊縫。在焊接過程中可能需要控制激光功率，通過高溫計測量焊接過程中的工件溫度，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)計必須要適合激光焊接——這就要求在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，研發(fā)團隊就應(yīng)該與客戶合作，充分了解激光焊接的要點。生產(chǎn)復(fù)雜塑料產(chǎn)品的模具制造成本很高，模具設(shè)計者必須事先了解面向激光焊接存在的模具設(shè)計與制造問題。解決了模具問題，就可以確保從模具上下來的塑料零件的幾何形狀可以直接進行激光焊接。
激光塑料焊接在工業(yè)中的應(yīng)用越來越深入，從汽車燈組件到噴墨打印機墨盒等各種大批量產(chǎn)品的制造，都用到了激光塑料焊接。
