使用近紅外激光焊接塑料（塑料紅外熱焊接）

激光器性能和成本效益的改進使其更廣泛地用于焊接熱塑性塑料。在商業和消費品中越來越多地使用粘合塑料，有望為該應用提供多年的持續增長。

紅外激光焊接涉及通過在它們的公共界面局部熔化和融合材料來連接兩個部件。與金屬一樣，熱塑性塑料可以被熱軟化或熔化，但是，焊接金屬和熱塑性塑料之間存在許多重要區別。金屬吸收最常見的激光波長，但它是極好的熱導體，在熔化和焊接之前需要非常高的局部溫度。相反，許多塑料在這些相同的激光波長下是透明的，并且是眾所周知的不良熱導體。此外，熱塑性塑料在相對較低的溫度下會軟化或熔化。此外，塑料最好通過達到高度軟化狀態而不是真正的液態熔體來焊接。

這些差異會影響在塑料中進行激光焊接的方式。大多數塑料焊接應用涉及通過要連接的部件之一傳輸激光。然后第二部分吸收光，僅在部分之間的界面產生強烈的局部加熱和軟化。

為了開發“穿透式”焊接應用，有必要了解要連接的塑料的透射/吸收特性。由于成本通常是一個驅動問題，因此大多數塑料焊接是在近紅外區域進行的，那里有具有所需功率水平（幾瓦到幾十瓦）的經濟型激光器。材料的近紅外 (IR) 吸收特性可以用分光光度計測量，但通常最好只使用激光和功率計。由于吸收并不總是與功率呈線性關系，因此在預期功率水平下測量吸收非常重要。此外，大多數加工車間和工廠現場根本沒有分光光度計。

理想情況下，一種材料在激光波長下是完全透明的，而另一種材料將表現出非常高的吸收率。實際上，大多數透明塑料通過一英寸材料的吸收率低于 10%。根據經驗，通常可以容忍每英寸厚度高達 20% 的吸收水平。這種吸收量可以產生適度的整體加熱，但不會顯著影響整個過程。

一旦光線傳輸到焊接界面，鑒于兩個部分必須具有相似的成分才能獲得牢固的焊接，我們如何實現高局部吸收？目前最常用的方法是用炭黑填料摻雜第二部分，這會產生非常高的吸收率，而不會顯著影響整體強度。

實際問題

在焊接過程中，必須對接頭施加壓力以將零件固定到位并限制加熱的聚合物膨脹。緊密接觸還允許熱量從吸收材料流入非吸收材料，從而使兩者充分軟化。通常，40 到 60 psi 之間的夾緊力就足夠了，與其他焊接工藝相比，這是相當適中的。通過使用透明材料塊（例如玻璃或聚碳酸酯）或使用帶有激光束通孔的不透明工具來施加這種夾緊壓力。然后通過物理移動部件和/或掃描激光束來創建焊接。

其他實際考慮因素是零件尺寸和焊接速度。對于搭接接頭，激光通常穿過薄材料，理論上，零件尺寸沒有明確限制。通常使用適度的焦點（800 ?m 光斑直徑），并通過簡單地平移光束或零件來產生擴展的焊接區域。然而，對于對接焊縫，激光必須穿過透明部分的整個寬度。此外，對于對接焊縫，激光必須同時焊接零件的整個邊緣厚度。此外，激光束可以輕松穿過幾英寸厚的聚碳酸酯，但對于 PTFE、聚乙烯和聚丙烯等其他塑料，透射率通常僅限于幾分之一英寸的零件厚度。根據激光功率、焊接寬度和材料厚度，焊接速度可高達每分鐘數十米。

盡管機器人和平移臺可以焊接更大的零件，但實際上激光焊接最適合最大尺寸為幾英寸的零件。此外，較大的零件需要更高功率的激光器才能達到可接受的焊接時間，但這些激光器的成本抵消了激光焊接的一些優勢。

通常，激光束通過光纖傳送到焊接夾具。在批量生產相同零件的情況下，這提供了掃描光束的替代方案。具體來說，激光通過一束傳遞，該束的形狀可以直接創建預期焊縫的輪廓。圓形、矩形甚至精致的曲線輪廓都可以通過這種方式產生。

圖中 顯示了使用 30W、810nm 二極管激光系統焊接的兩個透明聚碳酸酯型塑料板（涂有 Clearweld 薄膜）。下圖顯示了使用 50W 多模 Nd:YAG 激光器的輸出密封的亞克力名片夾。上面的一塊是透明的，另一塊是黑色的。

激光焊接的優點

與其他焊接方法甚至粘合劑相比，塑料的激光焊接具有許多優勢。首先，熱源和零件之間沒有物理接觸，因此產品干凈，沒有碎屑或過熱材料。激光焊接只會軟化塑料，焊接區域完全被連接的兩個部件包圍。因此，該過程不會產生煙霧，這可能是一個重要的安全優勢。相比之下，許多粘合劑在固化過程中會產生有毒煙霧。激光焊接還具有速度、靈活性和可控性的優勢??調節到達焊接區域的能量非常簡單。

靜態小焊縫通常在不到一秒的時間內完成，薄膜的焊接速度高達每秒幾十米；因此，激光焊接與任何替代工藝一樣快或更快。因為這是一種光學技術，它提供了最大的設計/重新設計靈活性。此外，激光能量可以精確地引導到焊接部位，幾乎沒有外圍熱損傷，使這種技術成為精密零件的絕佳選擇。

激光焊接還為可以創建的焊接類型提供了靈活性。通過使用緊密聚焦的短焦距光學器件，該過程可以創建寬達 100 ?m 的精細焊縫。或者，使用更高功率的激光器，光束可以散焦以產生 10 毫米寬的焊縫。

激光技術/波長的選擇

可以激光焊接各種熱塑性塑料，包括聚乙烯、丙烯酸樹脂和聚碳酸酯。所有這些材料在整個近紅外光譜區域都表現出低吸收。這意味著它們可以與 810?950 nm 波長的直接二極管或1064 nm 的Nd:YAG 和 Nd:YVO 4激光器進行同樣良好的焊接。在這兩種情況下，最好以 CW 模式而不是脈沖模式操作激光器。這是因為焊接速度最終取決于平均功率和總能量，這兩者在 CW 操作中都更高。

根據經驗，1064 nm 的二極管泵浦固態激光器比直接二極管激光器提供更高的光束質量。因此，它們是使用振鏡直接掃描光束的“精密”應用的最佳選擇。在這里，光束可以以高達 6 m/sec 的速度進行掃描。這比塑料的熱保持時間更快，因此允許同時產生成型焊縫??塑料經歷激光束運動的時間平均值。

直接二極管系統的每瓦成本低于二極管泵浦系統。此外，這些激光器通常采用非常小的封裝，這對于集成來說是一個優勢。然而，直接二極管激光器從多模光纖輸出提供相對較差的光束質量。然后可以使用重新準直和聚焦光學器件將其重新成像到焊接區域中。使用 25mm 焦距鏡頭，這會產生直徑約 600 ?m 的典型光斑尺寸。或者，可以將光纖耦合成如前所述的成形束。

概括

總之，使用激光焊接塑料有許多優點。隨著固態紅外激光器的每瓦成本不斷提高，隨著需求和用戶意識的提高，我們預計這將成為一個重要的應用。