由Jonathan Magee，董事总经理Acsys Lasertechnik UK Ltd，Coventry，U.K.
塑料激光加工。
工业激光器用于许多市场的工程塑料各种处理。共同过程的一些示例如图1所示，包括激光标记，切割和焊接。激光塑料焊接领域的公认的市场包括汽车（参见图2）和医疗器械。
激光塑料焊接的基本原理
基于激光的焊接对塑料的几个优点与传统接触方法相比。激光焊接是在焊接点处的非接触过程，其通常在重叠部分的界面处发生，因此焊接区域被封装。
这导致了美观的焊接，是无菌的，不污染被焊接的部件的表面。接触的部件可以从上到下焊接在一起，而不干扰它们的外部表面，这似乎有违直觉。使用传统的塑料焊接技术，如超声波或热冲压，与要焊接的零件的外表面接触是不可避免的。非接触式激光塑料焊接的原理是激光在被连接的聚合物链内部分透射、反射、散射和吸收。通过仔细选择塑料和激光的光学特性，在目标位置产生足够的热量来熔化和熔合材料。
激光塑料焊接的设计考虑
塑料产品具有机械、几何、热和光学等特性(参见图3)。在基本层面上，塑料组件的激光可焊性大致可由以下几个方面来确定:
1.是否兼容材料是什么？兼容性是指待焊接塑料部件的熔化温度，化学，机械，几何和光学性能。
2.激光束能否有效地通过表层材料到达接头界面，底层材料能否吸收激光束在需要的地方产生热量?
3.零件可以在焊接过程中适当地保持在一起，可以控制施加的力量吗？部件的几何形状是否会导致零件之间的良好装配，而不会在它们之间没有间隙？
4.在给定的几何形状下，激光束是否可以传送到零件以有效地分配和控制热量?
激光塑料焊接汽车车速表钟面板到外壳。
热和化学相容性
塑料比金属在低温下融化并分解。工程塑料的典型熔化温度约为250℃。有一些塑料具有更高的熔化温度，如PEEK，其范围为350-400°C。熔化温度的紧密相容性将有助于混合焊接池并改善重新凝固的机械强度。在熔化温度上相对匹配的塑料的某些组合是塑料焊接的良好候选者。塑料的化学成分也是一个因素。例如，一种不能焊接高密度聚乙烯HD-PE至聚丙烯PP，但即使聚乙烯在同一家族内，也可以焊接低密度聚乙烯LD-PE转移到聚丙烯。必须仔细考虑材料组合。
光学特性匹配
在材料加工中，激光器通常发射一个波长或非常窄的波长带宽的光束。与自然光不同，激光光束是相干的和可聚焦的。近红外和红外波长在800nm - 2um的塑料焊接中应用最为广泛，通常采用大功率二极管激光器。这些波长比人类肉眼可见的波长要长，比如绿色，在可见光谱中是532nm，红色是635nm。使用800-2000nm波长时，要焊接的塑料必须在此范围内表现出一定程度的透射和吸收。塑料在某种程度上是半晶体结构，有无定形和结晶相。当激光束撞击塑料时，非晶态和晶态之间的折射率差异会导致光的散射和反射。这对激光焊接来说是有利还是不利，取决于这些影响的程度。
激光塑料焊接的设计考虑。
这些特性的设计组合有助于实现激光束通过顶部塑料件的传输和下部塑料件的吸收，见图4。有时在母粒的聚合物生产中加入添加剂，使它们吸收激光。在设计阶段，工程师应该考虑产品中是否可以使用添加剂。例如，在医疗器械塑料的情况下，它们会通过FDA的批准吗?
某些塑料中的玻璃纤维水平，如聚酰胺，PA-66，通常称为尼龙，可以影响光通过它们的透射，特别是在玻璃纤维浓度较高的地方，透射率较低。关于塑料，一个常见的问题是哪些颜色可以焊接在一起?这个问题没有简单的答案;许多组合都是可能的。即使是相同颜色的材料，如黑色到黑色，也可以加入精心的设计构图。尽管可见光不能传输有色塑料，但对于单一的激光波长来说，情况正好相反。
足够的部分贴合，沿着部分末端固定力
设计师必须始终确保零件的几何形状，通过良好的装配组件和接头的可访问性，使其适合激光塑料焊接。激光焊接并不擅长通过空气间隙传递热量，关键是接头的部件是接触的。搭接焊接配置实现这一点。
在焊接过程中向下的力对于某些复杂部件，特别是难以实现的良好贴合的良好件自然施加良好的力。夹紧力可以通过伺服驱动器或通过使用气动夹紧来产生。塑料焊接存在坍塌力，该焊接能控制热和熔化塑料在开始显着变形之前可以承受的力量有多大力，并且在熔化时需要多大的力量将部件推在一起。
理想的塑料焊接光的传输和吸收。
激光光束有效地分布和控制热量
在激光焊接中有几种激光束输送到工件的方法。在固定激光塑料焊接头和XYZR表运动系统之间存在相对运动的笛卡尔轴系统是一个示例。由于在启动和停止点和方向的变化周围所需的加速，这些装置可能不会导致大部件的均匀加热。然而，该方法是灵活的，因为激光路径可以通过CAD数据生成。
使用高速galvo扫描头允许激光束以10m/s的速度快速移动。以非常高的速度扫描焊缝周围，有足够的功率，允许几乎瞬间加热整个焊缝从一端到另一端。这减少了笛卡儿轴系统产生的同时加热和冷却的影响。另一种不太灵活的方法是通过掩模用激光照射零件。在这种情况下，掩膜孔径采取所需的焊缝形状，但每次有设计变化时必须制造。
ACSYS Lasertechnik
acsyslaser.com
了下:激光
