热塑性塑料的激光焊接：激光、材料、工艺和质量概述

塑料焊接是一种用于生产许多塑料设备的工艺，用于将不同的部件连接成一个部件。待连接的表面熔化，形成的界面熔化层在压力下固化。有许多焊接热塑性塑料的技术，即：热工具焊接，通过与热金属板直接接触加热连接表面、超声波和线性振动焊接，加热通过振动和摩擦、电阻植入焊接和介电焊接，热量由电磁热源和激光焊接产生，激光束用于熔化热塑性塑料接头区域。激光焊接与其他焊接方法相比有许多优点。它需要在有限的区域施加少量的热量，并显示出更高的接头强度和更高质量的焊缝。此外，它还可以焊接复杂的形状。其他优点包括零件与焊接工具之间没有接触，零件上没有机械应力。另一方面，激光焊接对聚合物材料、加工历史、色素沉着和添加剂更敏感。该技术具有独特的加工和性能特点，可实现薄膜、片材或模塑部件的局部精确焊接。其他优点包括零件与焊接工具之间没有接触，零件上没有机械应力。另一方面，激光焊接对聚合物材料、加工历史、色素沉着和添加剂更敏感。该技术具有独特的加工和性能特点，可实现薄膜、片材或模塑部件的局部精确焊接。其他优点包括零件与焊接工具之间没有接触，零件上没有机械应力。另一方面，激光焊接对聚合物材料、加工历史、色素沉着和添加剂更敏感。该技术具有独特的加工和性能特点，可实现薄膜、片材或模塑部件的局部精确焊接。

一般来说，热塑性塑料的激光焊接工艺有四个常见步骤来定位待焊部件。根据要使用的技术，激光辐射透明的部件必须面向激光束。此外，零件必须紧密接触；（加热要连接的界面区域。加热过程可能会有所不同，这取决于零件的几何形状、所需的最终产品和所使用的材料。)施加压力的目的是通过分子链扩散和界面处分子缠结的形成来促进焊接。它可以同时发生在加热阶段和后续步骤中。冷却阶段。在冷却过程中，接口具有必要的稳定性，因此零件可以在不影响接头的情况下进行处理。通常发生在冷却阶段，压力保持在低于步骤iii的压力值。

激光焊接技术受到激光辐射与材料相互作用的强烈影响。冲击材料表面的辐射可以被反射、透射和/或吸收。然而，使用该技术，激光辐射必须在必须形成焊缝的精确位置被有效吸收。吸收的光局部转化为热。热量导致聚合物熔化，允许链段运动，聚合物链相互混合，形成缠结。冷却后，它凝固形成焊缝。辐射与材料表面的相互作用取决于材料类型和添加剂含量，以及激光特性（波长、功率、光斑大小或形状和光束质量）。来自远红外(IR)激光源(10600nm)的激光辐射容易被表面吸收，通常用于直接焊接。另一方面，大多数聚合物在400–在1600nm范围内表现出高透光率(即低吸收率)。在此范围内工作的激光源的激光辐射主要由聚合物传输，因此只能用于激光传输和焊接。在这种情况下，必须将吸收器添加到要焊接的零件中。由于热塑性塑料固有地吸收了这些波长的辐射，开发了更长的波长(1500–新型激光器2200nm，开辟了不使用添加剂(吸收层或试剂)焊接透明热塑性塑料的可能性。

激光焊接发现了越来越多的新应用，从医疗行业（组装各种容器和液体过滤器、连接袋、管道等）[15]、电子行业（组装手机、键盘等）到汽车行业（从多媒体面板到前灯外壳）、[16]。综上所述，热塑性塑料激光焊接已成为激光技术的独立组成部分，具有重要的科学和工业潜力。论文阐述了连接医疗设备密封外壳的热塑性聚合物的焊接方法。本文的目的是回顾热塑性激光焊接的某些方面，主要关注激光系统、材料、工艺参数和质量监测技术。本文首先介绍了焊接的基本知识（第一部分），强调了与其他焊接方法相关的主要方面和优点，然后重点介绍了激光焊接的各个方面。第二节首先讨论了热塑性激光焊接的各种激光系统。然而，这是当今最常用的激光焊接技术。还讨论了该技术的一些技术变体，如使用填充材料的激光焊接工艺。在接下来的一节中，将讨论不含添加剂的LTW技术，在1.5万–激光在2200nm范围内发射的出现使该技术成为可能。第五节讨论了热塑性激光焊接中最常用的材料，并回顾和讨论了它们的几个例子。第一部分介绍了同一材料零件的激光焊接，然后是不同材料零件的激光焊接。然后在第六节讨论了轮廓焊接、同步焊接、准同步焊接和面罩焊接等各种变体或技术。第七节讨论了主要控制变量或工艺参数及其影响，包括聚合物成分和预焊条件（厚度）对工艺的影响。最后，第八节讨论了几种用于评价焊接质量的表征技术。

焊接热塑性塑料的激光器

激光焊接的首次示范出现在20世纪70年代，特别是用于焊接钢板或不锈钢[8]、[9]。然而，由于激光源和方法的改进，它直到20世纪90年代才成为一种广泛应用于各种应用中的焊接技术。目前，热塑性材料的焊接主要有四种激光类型。表1描述了它们的波长、效率和光束质量。图2显示了它们的发射波长。

激光透射焊接

该技术基于以下事实：未着色的聚合物可以传递NIR波长辐射，但通过添加吸收剂，它们可以吸收激光辐射，从而实现聚合物的局部加热和熔化。与远红外二氧化碳激光波长技术相比，NIR激光器（Nd:YAG和二极管激光器)可以以不同的方式使用激光焊接。

无吸收体焊接技术

激光焊接中最常用的过程取决于使用标准材料。上部-透明部分-激光辐射应透明，下部-吸收部分-应吸收激光辐射。通常，下部必须包括添加剂、颜料或染料，以提高其吸收率。最常用的吸收剂是CB，它把零件变成黑色。这种组合显然限制了设计的可能性。

激光焊接材料

激光焊接是一种广泛应用于生产热塑性塑料材料的高质量焊接接头的技术方法。最常见的是类似于热塑性塑料的焊接，其中要焊接的两个部件都是相同的材料。由于熔点和化学结构相同，在加热过程中提供了更好的聚合物链混合，有利于焊接过程。类似热塑性塑料的激光焊接在焊接质量上往往表现出更好的效果。

塑料激光焊接工艺

激光焊接有多种方法可供选择，它们在激光束和焊接部件的相对运动上有所不同。这些方法可分为轮廓焊接、同步焊接、准同步焊接、面罩焊接和复合焊接五个主要过程。

在轮廓焊接中，机械臂通常用于控制激光运动。与零件相比，激光辐射束在接头上方形成单通道。轮廓焊接非常灵活，特别适合。用于塑料激光焊接的控制参数

对于所有塑料焊接技术来说，温度、时间和压力是三个最关键的工艺参数。在激光焊接中，这些参数由激光功率、焊接速度、激光斑点大小、照射时间、激光工作距离、夹紧压力和激光吸收添加剂的类型和浓度（如有）控制。激光焊接中的能量密度由激光功率、接头处的激光斑点大小和照射时间（同时评价材料和接头的表征技术激光焊接通过局部焊接能量的控制精度，为连接对热应力和机械应力敏感的热塑性塑料提供了各种可能性。为了控制焊接过程，可以使用各种技术来评估焊接质量。这些技术的范围从使用放大镜简单地观察焊接接头到使用更复杂的设备，如热成像。

结论

在许多应用中，越来越多的聚合物被用来代替金属或其他材料，这需要开发连接热塑性塑料的新技术。多年来，许多技术已经开发出来，但激光焊接已经取得了突出的地位，因此它越来越成为研发的兴趣领域。热塑性塑料激光焊接是一种高度特殊的技术，用于在高速焊接的应用中连接塑料部件