1. 概述
激光是一個非常有效的工具，用於連接薄板，薄膜，熱塑性塑料和織物。其最大特點是迅速將可精確調控的能量準確的傳遞到所需加熱的點位。激光輸出覆蓋一系列波長。不同波長的激光與塑料的相互作用各不相同。激光焊接工藝還受到塑料類型、顏色、厚度和添加劑的影響而變化。
因其高分辨率定位和小於0.1mm寬的焊點，使得激光適用於各種各樣的應用，包括醫用導管、微流控制設備、包裝、電子產品等。
2. 塑料類型
熱塑性塑料是由長鏈分子製成的聚合物材料。在一定的溫度以上，熱塑性塑料可以進行重塑或焊接。與不能熔化的熱固性塑料不同，熱塑性塑料中的分子鏈不產生交聯。在高溫下其分子可以自由移動，即材料以液體的形式流動。工程塑料的熔化或軟化溫度在120-343℃範圍內。
熱塑性塑料可分為半結晶（多數呈乳白色外觀）和非結晶（無定形）兩種類型。半結晶型是由結晶顆粒和非結晶顆粒組合而成。結晶顆粒散射光，限制了激光輻射的傳輸效率。因此，也反過來限制了半結晶塑料激光焊接的最大厚度。塑料中如PE、PP、尼龍PA和PEEK是半結晶塑料，而PC、PMMA和PS是非結晶塑料。
3. 激光類型及其與塑料相互作用
因為激光的波長決定了其在塑料中能量傳遞和吸收的形式，所以不同類型激光的應用場景非常依賴波長。
圖1 光類型
圖2 紅外類型定義
最常用的激光焊接方法是“透射焊接”。激光束通過上層透射材料傳輸，然後被下層材料表面吸收，在界面處產生熱量並熔化。上下層材料對激光能量的吸收差異，是通過對下層材料增加添加劑（例如碳黑）或者表面塗層實現。其使用的激光器波長在0.75-1.5um範圍內，可分為半導體、光纖、YAG三種類型。通常，相比較紫外線（UV）和中紅外（Mid-IR），波長0.75-1.5um紅外激光在塑料中吸收並不容易。其吸收能力取決於塑料中添加劑以及材料類型（半結晶還是無定形）。如果塑料沒有填充劑或者顏料，激光可以穿透幾毫米的半結晶塑料，幾乎完全穿透無定形塑料。通過增加添加劑，例如填料和顏料，來提高吸收能力。
天然未著色塑料容易吸收波長從1.6um到5um以上的紅外，尤其對5um以上的紅外有很強的吸收能力。在波長在2um的情況下，其激光器是光纖激光器或者YAG類型，光束能量會沉積在所有塑料（包括半結晶和無定形）頂端幾毫米處。利用這個特點，可以焊接厚度不超過幾毫米的塑料板材，而無需添加劑。該過程稱為“直接激光焊接”，與“透射激光焊接”原理不同。直接激光焊接尚未廣泛用於塑料焊接，其典型應用是透明對透明的塑料焊接，具有廣泛應用的潛力。
二氧化碳(CO2)激光器是一種成熟的材料加工工具，通常用於切割薄膜、板材和織物形式的塑料。CO2激光波長為10.6um，能夠被所有塑料表面迅速吸收。塑料表層0.2mm區域可直接吸收激光能量。這使得快速加熱和快速焊接塑料薄膜成為可能，已經證明其焊接速度可超過1000m/min。
所有塑料表面層迅速吸收CO2激光輻射(10.6µm波長)。能量在激光指向的前0.2毫米塑料中作為熱量傳遞。這導致快速加熱和非常快速的焊接加工薄塑料薄膜是可能的，即使有相當適度的激光功率(<1000W>
圖3是經過激光透射焊接的PP材料截面，顯示熔化區均勻分佈在碳黑填充和未著色的塑料表層，表明激光能量被黑色材料表面吸收。
4.透射激光焊接
在1985年首次報道時，透射激光焊接的試樣，上層是紅外透射塑料，下層是碳黑塑料。碳黑層表面吸收激光能量並加熱，在兩層界面處產生焊接。透射激光焊接工藝受限於幾個條件：（1）下層是黑色，也是最常見顏色；（2）上層必須能夠透射一定比例的激光能量，通常要求在20%以上，以便加熱優先發生在下層表面而不是上層表面（圖4）。黑色表面充當加熱元件，兩側材料的熔體深度幾乎相等。熱影響區小，因此對周圍組件的熱損傷最小，接頭處的變形也最小，無顆粒物汙染。
圖4 透射激光焊接原理
1998年，用於激光焊接的吸收劑的問世，實現了淺色以及透明塑料的焊接。一個例子叫做Clearweld，它是一種吸收紅外的染料，與其它可見染料很像。它可以作為塗層塗抹在焊接線上（通過噴塗，印刷，針或筆定向塗抹的方式）或作為添加劑加入下層塑料中。
以上圖5案例，通過在透明PMMA上蓋和容器接合面上塗有吸收劑製成的焊接產品。通過使用吸收劑，現如今幾乎所有顏色組合的塑料都可以使用透射激光焊接。主要問題不能焊接有較多填料且較厚的塑料。在這種情況下，必須減少上層塑料厚度，減少填料含量或者顆粒直徑以減少光的散射，或者考慮採用其它焊接工藝。
透射激光焊接的應用領域包括：
- 醫療器械
- 包裝
- 汽車零部件
- 消費品
- 電子包裝
- 紡織品
在紡織品上的應用非常有趣。該工藝提供了一種新的織物焊接的方法，該方法僅熔化接合面，而不熔化織物的外表面。這樣部分纖維仍保持原狀未熔化，且焊縫區域仍保持織物的強度和柔韌性。圖4是一種防水外套的設計，在防水織物層進行了連續激光焊接，以保持氣密的效果。因此，該工藝用於防水服，個人防護服和其它織物服裝自動化製造方面具有較大潛力。
圖6 這種防水夾克設計有激光焊接的接縫，與縫製和膠粘接相比，該接縫提供更加有效的防水。
該方法還擴展到了含有纖維增強聚合物的複合材料的連接。複合材料基體被激光加熱並熔化，而纖維增強材料不受工藝影響。
透射激光焊接可應用於含玻璃纖維或聚合物纖維增強的複合材料，以及填料含量不高的聚合物的焊接。當使用碳纖維增強，或基體為黑色或有大量填料時，可以使用直接激光焊接方法，該方法不需要光束穿過零件。
5. 直接激光焊接
無論是因為紅外輻射波長還是材料選擇的原因，導致零件不能透射激光束，熔化都首先發生在塑料的上表面。隨後在壓力下兩者表面粘接的方法稱為直接激光焊接。CO2激光器最先用於該方法，能夠以很高的速度焊接塑料薄膜，速度高達1200m/min。通過控制激光束功率分佈對包裝袋實現“連切帶焊”，即對兩層塑料薄膜同時切割和封邊的過程。
對於厚度在0.2–5 mm範圍內的多層透明塑料，可以使用2-3µm波長的紅外激光進行焊接。圖7是平面對平面的焊縫設計，也可以採用其它焊縫設計。該過程不需要額外的吸收劑，通過上下件吸收能量熱膨脹在界面處熔化粘接。應注意控制塑料的激光吸收和傳輸特性，以確保焊接穩定。
圖7 採用67W波長為1940nm的光纖激光器以4.5m/min的速度對3mm的PMMA板進行焊接。
6. 總結
可以使用多種機械裝置（例如機械手臂，掃描鏡頭、龍門架、臺式或者桌面二維移動平臺）和各種波長的激光器（半導體、光纖、YAG等）進行組合，實現對各種塑料產品的激光焊接。激光提供高效能和精確的能量分佈控制，實現局部熔化。焊接快速，強度高且外觀優異。
現在廣泛使用的是結構緊湊的半導體和光纖激光器，可以有效地實現焊接過程，並且很容易集成到自動化生產線上。該技術已經應用於各行業的各種產品中。
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