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    摘要:塑料激光焊接的特點與金屬材料的激光焊接有較大的不同。本文論述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光設備，焊接工藝以及塑料激光焊接在工業(yè)生產中的應用。塑料激光焊接的工藝涉及焊接吸收劑、激光波長、被焊材料的特性和要求、加工系統(tǒng)控制軟件等等。    關鍵詞：塑料 激光焊接 工藝 應用一、前言    自上世紀60年代問世以來，激光以其相干性好、能量密度高、準直性好等優(yōu)異特性，在現代工業(yè)的各個方面得到了廣泛的應用。在材料加工領域，激光用來進行金屬材料的切割、焊接、表面相變硬化、合金化、熔覆、打孔、打標、輔助切削、直接制造、快速成形、清洗及微細加工等等。利用激光來焊接金屬材料有許多優(yōu)越性：方便快捷、焊縫小、焊接影響區(qū)域小，對原材料性質和形態(tài)的改變均很??；易于實現數控控制，可以焊接形狀特殊的工件；激光能量集中、作用時間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統(tǒng)焊接工藝難以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受熱敏感的材料，等等。激光焊接在金屬材料加工中的應用越來越普遍，正逐步從特種加工轉變?yōu)槌Ｒ?guī)加工工藝。    隨著石油的大規(guī)模開采使用和石油化工工業(yè)的高速發(fā)展，塑料作為一種工程材料，成本低廉、獲取方便（石油煉化工業(yè)的產品）、加工成型技術簡單快捷、成品重量輕、物理特性優(yōu)良、能提供各種工程性能，其應用非常廣泛。塑料作為鋼鐵、鋁、鎂等金屬和其他一些非金屬材料在工程上的替代品，在工業(yè)制造和日常生活中的使用都越來越普遍。    當前，激光所能夠焊接的材料，除了傳統(tǒng)的金屬材料之外，其范圍正在逐步擴大，在例如陶瓷等非金屬材料上的使用也越來越多；而塑料作為有機材料的代表之一，也被用來作為激光焊接的對象，能夠用激光實現焊接的塑料必須是熱固性的。20世紀70年代，激光開始被應用到塑料焊接上;但直到20世紀90年代,才取得了大規(guī)模的工業(yè)應用[1]。見于文獻報道的最早激光塑料焊接應用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度為1.5毫米）[2]。    直到目前，由于激光器技術的限制以及塑料材料本身固有的強度低、耐熱性差、易變形等特點，在塑料工業(yè)中，激光作為焊接工具還不是非常普遍[3]；塑料激光焊接的成品，也僅僅限于包裝、醫(yī)療器械、微電子產品等方面。但是，隨著塑料材料和各種激光器及激光加工機的快速發(fā)展，塑料激光焊接技術的研究和應用也必將越來越廣泛。二、塑料激光焊接的原理     塑料激光焊接的基本原理與金屬材料激光焊接的基本原理相近。激光作為一種焊接用熱源，具有準直性優(yōu)良、光束能量密度高、作用區(qū)域小等優(yōu)點。在焊接過程中，通過反射鏡、透鏡或光纖組成的光路系統(tǒng)，將激光器產生的光束聚焦于待焊接區(qū)域，形成熱作用區(qū)；在熱作用區(qū)中的塑料被融化；在隨后的凝固過程中，已融化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來[4]。    由于被焊接材料具有本質上的不同，塑料激光焊接的特點和具體工藝與傳統(tǒng)金屬焊接也有比較大的差別[7]。三、塑料激光焊接的工藝1．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[8]。隨著半導體材料工業(yè)的快速發(fā)展，半導體激光作為光源也漸漸得到了應用。    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，因此半導體激光在塑料焊接中也很有用武之地。     CO2、Nd:YAG和半導體激光三種光源的波長、最大功率、最小聚焦直徑等參數的典型值如下所列[9]：1．CO2激光：波長較長，為10.6微米，屬遠紅外波段，一般情況下塑料材料對這一波長的吸收情況好。目前最大輸出功率達50kW，轉化效率約10％，最小聚焦直徑約0.2～0.7mm。焊接塑料時熱作用區(qū)深度較深，適合于需要焊接較厚的塑料材料。CO2激光不能用光纖傳輸，只能$&*透鏡反射鏡組成的光學系統(tǒng)來構建剛性傳輸光路，從而影響激光頭的操作性。2．Nd:YAG激光：波長較短，為1.06微米，屬近紅外區(qū)波長，不易被塑料吸收。最大輸出功率6kW，轉化效率為3％，最小聚焦直徑0.1～0.5mm。Nd:YAG激光的特點是聚焦區(qū)域小，可以方便地通過光纖傳輸來構建光路，可將激光頭裝到機器人手臂上，實現焊接過程的數控和精密自動化；另一方面可以較好地透過上層的待焊接材料，到達下層待焊接材料或者中間層而被吸收，從而實現焊接。3．半導體激光：波長0.8～1.0微米，最大輸出功率6kW，轉化效率30％，最小聚焦直徑0.5mm。由于其輸出輸出功率較小，適用于焊接激光功率要求較低的場合,如小型塑料器件的精密焊接。半導體激光能量轉化效率高,易于實現激光器的小型化和便攜化[9]。2．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[10]。    塑料激光焊接技術對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內的材料，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到目的。目前能夠使用激光焊接的單種成分塑料包括[11]：    PMMA——聚甲基丙烯酸甲脂（有機玻璃），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、控制精確容易的特點，因此上述各種單體材料之間也可以進行焊接[12]。(待續(xù))