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2023-04-20
一、激光的波長
在金屬材料的激光焊接工藝中，一般采用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)體激光作為光源也漸漸得到了應(yīng)用。
三者之中，由于易于獲得較大功率，前兩者在傳統(tǒng)的材料加工工業(yè)中的使用較為普遍;而由于塑料激光焊接對光源功率大小要求不高，但對可控性和易操作性要求較高，因此半導(dǎo)體激光在塑料焊接中也很有用武之地。
二、塑料材料
能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。
塑料激光焊接技術(shù)對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對激光光波的吸收性好;不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對光波的透過性好，尤其在對兩件 薄塑料件進(jìn)行疊焊時更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。目前能夠使用激光焊接的單種成分塑料包括：
PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂(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，Nylon 6-尼龍6，Nylon 66-尼龍66，PS-PS樹脂，等等。
上述各種塑料制成的塑料件，如模制的塑料品、塑料板、薄膜、人造橡膠、纖維甚至紡織物都可以作為被焊接的對象。由于激光焊接具有傳統(tǒng)焊接不具備的熱作用區(qū)小容易的特點，因此上述各種單體材料之間也可以進(jìn)行焊接。
三、吸收劑
吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。如前所述，塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。塑料自身能夠以較高吸收率吸收激光能量，但一般在不添加吸收劑的情況下，塑料對光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。
通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化更快。一些其他顏色的染料也能夠起到相同的吸收光波的效果。
英國焊接學(xué)會(TWI，The Welding Institute)研制出了一種對可見光透明的染料。用這種染料做吸收劑，可以得到透明的塑料焊縫。碳黑在吸收紅外波段的激光光波的同時，也吸收可見光 波，這也是碳黑看起來為黑色的原因，用碳黑作吸收劑會使激光焊接焊縫顏色變深，與母材顏色不同。TWI研制出的對可見光透明的染料只吸收紅外波段的電磁 波，不吸收可見光，因此看起來焊縫仍然是透明的。
很多情況下，塑料焊接要求成品美觀，因此相比碳黑，對可見光透明的染料吸收劑非常受青睞。
添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過; 二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化;三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收 劑。
四、其他參數(shù)
與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來選擇激光功率。
塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min;而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，高速度可以達(dá)到750m/min。
五、軟件
激光焊接系統(tǒng)中，計算機(jī)軟件的作用是對激光頭的運動軌跡和速度、激光功率等一般性的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化控制，以達(dá)到提高加工速度和精度、改善加工質(zhì)量的目 的，這些與傳統(tǒng)的激光加工(laser oem)中的軟件控制并沒有什么不同，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)又有其自身的特色。
英國TWI研究所結(jié)合其ClearWeld塑料焊接工藝，設(shè)計開發(fā)了計算預(yù)測吸收劑用量及用法的軟件。根據(jù)不同材料的厚度、顏色、吸收比率等，結(jié)合激光器的功率、光波透過率等參數(shù)，在焊接前用軟件計算吸收劑的用量和添加方法，再根據(jù)預(yù)測的用量添加吸收劑。
提供給軟件的輸入數(shù)據(jù)包括：塑料材料特性：種類、厚度、顏色;焊接數(shù)據(jù)：焊接區(qū)域形狀復(fù)雜程度、寬度、焊接速度;激光器特性：功率、紅外光透過率等。
經(jīng)過計算和篩選，軟件給出的輸出結(jié)果包括：吸收劑種類、用量及要求的添加方式的列表，焊接過程中激光光波在上層材料中的能量損失。
軟件的計算結(jié)果與實際焊接測量的結(jié)果很接近，圖6為焊接后生成的熱影響區(qū)(HAZ)大小的計算值和實際測量值的對比，所用塑料材料為PMMA。
可見，軟件計算結(jié)果與實測結(jié)果非常接近。由于塑料激光焊接的規(guī)律性較強(qiáng)，有較好的可預(yù)測性，因此，采用軟件計算篩選方法預(yù)測結(jié)果是非常有效和可行的。
