激光塑料焊接技術的研究過程和方法

自從激光塑料焊接技術出現以來，人們一直在研究如何利用激光作為材料的加工工具。20世紀70年代，汽車行業開始嘗試用激光來加工材料。Marquardt在1998年用半導體激光批量生產電子汽車鑰匙，將黑色聚合物(PA)材料的鑰匙蓋焊接在相同的黑色但是激光透明的PA鍵外殼上。

按分子結構分類，可分為熱塑性、熱固性和合成橡膠三類。熱塑性材料的激光焊接已得到了廣泛的研究和應用。本文從三個方面簡述了激光焊接熱塑性材料的工藝及其研究進展。

激光焊接的過程和方法：

熱塑料材料的激光焊接主要采用激光透射焊。此法對兩種材料的焊接性能都有一定的要求，即上熱塑層對激光波長透明，下熱塑層可吸收激光能量。激光束通過透明的上層材料到達下層材料，該材料的表面由于吸收了激光能量而熔化。這時，分子聯接在一定的壓力下將兩種材料焊接在一起。因為激光是機械接觸，所以它聚焦在底層材料表面，產生的熱效應是局部的，所以這種方法能夠有效地防止焊接材料的機械和熱損傷。現在，約20%的熱塑性材料是通過激光焊接而成。針對不同的焊接任務和作業要求，大致如下：

弧形激光焊接是目前使用最為廣泛的一種簡易焊接方法。在焊接過程中，激光通過光學系統和振動鏡，使激光光束或激光束靜止。焊接目標與激光作用的時間依賴于光束的聚焦尺寸和運動速度，進而影響到焊接時間和焊接效果。它是一種非常靈活的焊接方法，能夠完成復雜的三維焊接，在包裝工業中有著廣泛的應用。

掩模激光焊接是一種基于輪廓焊或同步焊的工藝，其原理類似于晶片制作中的光刻技術。此工藝主要用于復雜的幾何焊接圖形，最小縫寬度在100微米以上。蒙版通常是由薄片或金屬玻璃制成。但是，掩模法的制作比較麻煩，而掩模的設計僅僅是針對焊接幾何圖形，所以掩模焊的靈活性較低，適用于大批量的焊接加工。

準同步激光焊接是把輪廓激光焊接和同步焊接有機地結合起來。采用高達10m/s的速度，激光束快速地穿過焊縫，反復掃描，使整個焊接區同時熔化，效果類似于同步焊。采用同步熔合工藝，準同步法和同步法同樣適用于相鄰兩個較大間隙的搭橋焊接。

同步激光焊接利用激光束對焊接區域進行照射，大大縮短了焊接處理時間，使搭橋焊接間隙較大的鄰接件得以使用。相對于輪廓焊，由于激光作用時間長，同步焊焊接的焊接零件更可靠。

二，焊接塑料顏色

基于激光透射焊的原理，決定了激光塑料焊接的色彩匹配問題，是激光塑料焊接的研究課題之一。下面的圖表說明了由于不同材質顏色引起的焊接困難。第一，成功實現了透明黑色材料的激光焊接。另外，黑色材料焊接也被廣泛采用。

在激光焊接中，CO2激光器用激光焊接，主要是因為其吸收帶一般位于紫外光區域。而混合、添加色素可使塑料的光學吸收特性發生很大變化，極大地提高了塑料對可見和近紅外材料的吸收。由原來的激光透明材料轉變為激光吸收材料，實現了傳統的Nd:YAG固體激光器(1064nm和倍頻532nm)；可以采用高功率的Gaas半導體激光(800-1000nm)和新型的光纖激光進行焊接。著色劑的加入還改變了原始塑料焊接的特性和參數，使之更適合于特殊用途。

三、焊料搭配

研究焊材搭配時應盡量與材料顏色相匹配。TPTP焊接在工業中應用較多的材料是熱塑性TPTP焊接。因為激光透射焊接是完全接觸的，這些熱塑性材料還可以與其它材料焊接。舉例來說，具有相同熱塑性的合成橡膠，具有熱塑性材料的彈性和伸縮性，焊接處理溫度、冷卻時間等參數與熱塑性材料十分相似，采用激光透射工藝進行TPTPE焊接是很容易實現的。因為TPE有很好的手感和摩擦力，TPTPE首先應用于汽車行業生產汽車方向盤。另外，激光透射焊還可以將TPE和TPE進行焊接，形成TPETPE的焊接。

實現塑料、金屬、陶瓷材料的激光焊接，是當前最新研究方向之一。舉例來說，塑料通過激光間接加熱，接觸表面融化，然后被金屬包住，與金屬形成牢固的連接。