簡述塑料材料的發展機遇，介紹塑料激光焊接的原理、方法和應用。塑料激光焊接技術可以解決(jue) 大部分塑料製品之間的組裝和固定問題，特別對於(yu) 精密的電子元件和要求無菌環境的食品類、醫療類產(chan) 品，激光焊接的優(you) 勢尤為(wei) 明顯。同時也介紹了一些解決(jue) 塑料激光焊接技術屏障、改善聚合物激光透射率和吸收率的新材料、新工藝、新方法。本文主要介紹了塑料激光焊接工藝發展和應用前景。

塑料作為(wei) 一種常用材料， 已經作為(wei) 僅(jin) 次於(yu) 金屬的第二大材料體(ti) 係。 塑料不僅(jin) 可以被製作成各種塑料產(chan) 品，也慢慢作為(wei) 金屬以及其他材料的替代料在使用。 所謂塑鋼比，即一個(ge) 國家生產(chan) 塑料和鋼材數量的比值， 塑料的產(chan) 量也作為(wei) 衡量國家發達程度中重要的衡量標準之一。 比如在發達國家中，塑鋼比基本維持在 65：35 左右，我國僅(jin) 為(wei) 30：70，人均塑料消費量與(yu) 世界發達國家相比還有很大的差距。塑料製品的應用範圍相比金屬更為(wei) 廣泛，我國珠三角、長三角龐大的塑料產(chan) 業(ye) 鏈和配套的產(chan) 品鏈為(wei) 我國塑料製品行業(ye) 的發展提供了強有力的支撐。 隨著我國 GDP 以及國民生活水平的不斷提高，塑料行業(ye) 將迎來新的發展機遇，並有機會(hui) 不斷突破。

1 、塑料的組成和應用

塑料是以單體(ti) 為(wei) 原料， 通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物。 通過工藝調整，可以自由改變聚合成分及形體(ti) 樣式。 各種塑料製品就是塑料與(yu) 填料、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、色料等添加劑組合而成。

塑料是重要的有機合成高分子材料，應用非常廣泛。 比如農(nong) 業(ye) 上的地膜，大棚膜，排灌管道等；電氣和電子工業(ye) 上的絕緣材料和封裝材料；機械工業(ye) 上的齒輪、軸瓦等；化學工業(ye) 中的各種容器及其他防腐材料；建築工業(ye) 中的門窗，樓梯 扶手，隔板，水管等；國防工業(ye) 上的武器，重兵器，人造衛星等；包裝領域的容器，瓦楞箱，打包帶等。 醫學上的醫學儀(yi) 器，醫用品等。 我們(men) 每天也都在與(yu) 塑料製品打交道，家用電器，家具，塑料袋，保鮮膜，牙刷，廚具，衣服，鞋等，塑料已經成為(wei) 日常生活中不可或缺的重要材料。

2 塑料材料的基本特性

塑料的主要成分是樹脂。 樹脂是指尚未和各種添加劑混合的高分子化合物。 塑料的基本性能主要決(jue) 定於(yu) 樹脂的本性，但添加劑也起著重要作用。 塑料中樹脂含量一般在 40%以上，100%的樹脂塑料相對較少，如有機玻璃、聚苯乙烯等。 同時，為(wei) 滿足巨大的塑料市場，除天然樹脂外，合成樹脂儼(yan) 然成為(wei) 最為(wei) 有效的塑料原料獲取方式， 是兼備或超過天然樹脂固有特性的一種樹脂。

塑料材料的基本特性：大多數塑料質輕，化學性穩定，抗腐蝕能力強，不與(yu) 酸、堿反應，防水防塵；耐衝(chong) 擊性好，強度高；具有較好的透明性和耐磨耗性，部分帶光澤；絕緣性好，導熱性低；製造、加工成本低，容易被塑製成不同形狀，成型性、著色性好；大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；尺寸穩定性差，容易變形；多數塑料耐低溫性差，低溫下變脆，容易老化；可以用於(yu) 製備燃料油和燃料氣，可以降低原油消耗；部分塑料易溶於(yu) 溶劑。

一般塑料分為(wei) 熱固性與(yu) 熱塑性二類。 熱固型塑料的微觀結構為(wei) 線型交聯成網狀，強熱則會(hui) 分解破壞其分子結構，不具有循環重複性， 所以不能用於(yu) 焊接。 熱塑性塑料加熱後會(hui) 熔化，分子結構不改變，可流動至模具冷卻後成型。 此類塑料雖然沒有明顯的熔沸點（塑料為(wei) 混合物），但冷卻後呈固態，再加熱後又會(hui) 熔化，即為(wei) 物理變化，遂此類塑料具有可焊接性。

因此不是所有塑料都能用激光焊接焊接。 傳(chuan) 統塑料激光焊接技術僅(jin) 針對熱塑性塑料的焊接。

3 塑料激光焊接原理

激光焊接技術顧名思義(yi) ，即通過激光產(chan) 生高溫溶解，對兩(liang) 件產(chan) 品進行固定的技術。 塑料激光焊接技術主要用於(yu) 連接敏感性的塑料製品，例如 PCB 電 路 板、精密塑料零件電子感應器、真空塑料製品，以及無菌醫療器械等要求密封及潔淨度高的塑料製品。

利用激光焊接技術進行塑料零件焊接時， 首先需要增加適當的外力將兩(liang) 個(ge) 零件之間需要焊接的區域夾緊， 調整適合零件材質的近紅外線激光的波長，激光先透射過第一個(ge) 零件，被第二個(ge) 零件吸收並化為(wei) 熱能， 從(cong) 而將兩(liang) 個(ge) 零件的接觸表麵熔化形成焊接區，完成焊接。

現階段可通過塗料技術簡化焊接過程， 即在第一個(ge) 零件末端增加可吸收近紅外激光的塗層， 激光透射過第一個(ge) 零件到達末端後被吸收，融化焊接區，實現焊接。 此種方式對第二個(ge) 零件的塑料材質不做過多的限製，應用範圍更廣。

4 塑料激光焊接常用焊接方法

在實際應用中，塑料激光焊接有幾種常用的工藝方法：順序型周線焊接： 激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動並使其熔化，將塑料逐漸粘結在一起。 主要用於(yu) 規則外形且有焊接速度要求的零件。

同步焊接：使用帶有多個(ge) 激光口的激光發射器，通過光學器件調整激光束的方向和形狀；激光束通過程序引導，沿著焊接層的輪廓線焊接，使整個(ge) 輪廓線同時熔化並粘結在一起。 主要用於(yu) 焊接麵積較大，且焊接一致性要求較高的零件。

掃描焊接：又稱準同步焊接，綜合了上述兩(liang) 種焊接技術。利用光學器件產(chan) 生高速激光束，沿著待焊接的部位移動，使得整個(ge) 焊接處逐漸發熱並熔合在一起。 此方案對於(yu) 激光發射設備要求較高。

照射掩膜焊接： 通過預先製作的模板遮擋無效區域的激光束，隻暴露出精確的焊接部位，對焊接區域進行熔化，實現焊接過程。 這種焊接技術精度高，是目前應用較廣的激光焊接技 術，設 備 通 用 性 強，模 板 製 作 簡 單、成 本 低，可 以 實 現 低 至10μm 的高精度焊接。

5 塑料激光焊接的優(you) 勢

塑料激光焊接相比於(yu) 超聲波焊接以及熱板焊接的優(you) 勢包括：焊接速度快，適用於(yu) 精密器件焊接，可以得到高精度的焊接件；能產(chan) 生真空密封結構，防水防塵；焊接牢固，能夠製造出超過原材料強度的焊接縫；焊接過程中樹脂降解少，熱損壞和熱變形小，無飛邊，焊縫嚴(yan) 密，沒有殘渣，非常適用於(yu) 醫藥製品及精密電子類產(chan) 品。激光本身由計算機軟件控製，易於(yu) 調整，可靈活透射到零件各個(ge) 部位。 同時，激光焊接能夠焊接其它焊接方法無法達到的區域，對於(yu) 複雜外形、三維幾何形狀的製品尤為(wei) 適用。

塑料激光焊接是一項無振動焊接技術， 該工藝大幅減少塑料製品的振動應力和熱應力，降低製品本身的老化速度，可應用於(yu) 易損壞的塑料零件。

塑料激光焊接可以將不同組成、不同顏色、不同結構以及不同軟化點的塑料零件焊接在一起。 對於(yu) 其他焊接方法很難實現或者無法實現。焊接設備即為(wei) 激光發射裝置， 其本身並不需要和被焊接塑料零部件相接觸，設備自動化程度高，方便加工。

6 塑料激光焊接應用

由於(yu) 塑料激光焊接工藝本身的優(you) 勢特點， 現階段重點應用在精密塑料電子元件領域、無菌醫療領域、食品藥品領域、汽車領域等高科技領域上。

由於(yu) 激光焊接可以靈活透射到精密器件上， 在精密塑料電子元件領域應用最為(wei) 廣泛，例如手機零部件（機殼，耳機座，USB 座），鼠標，連接器，開關(guan) ，傳(chuan) 感器等。由於(yu) 激光焊接可製作出密封以及真空的無菌產(chan) 品， 在醫學器械以及無菌環境設備領域也有著不俗的表現。 例如輸液袋、導管、過濾器材、軟管接頭、助聽器、支架等。由於(yu) 激光焊接還可以將塑料薄膜焊接在一起， 形成一個(ge) 包裝用的封體(ti) 結構，操作方便快捷。 主要應用食品藥品包裝以及其他需要無菌和密封的領域。由於(yu) 激光焊接速度快， 同時適用於(yu) 大型塑料零件焊接的特點，在汽車領域塑料零部件的流水線加工上隨處可見。 例如自 動 門 窗 開 關(guan) 、噴 油 嘴、變 速 箱 支 架、發 動 機 傳(chuan) 感 器、液 壓 油箱、水箱導管，過濾閥門支架、車燈等。

對於(yu) 那些結構非常複雜的三維幾何體(ti) 塑料零件的焊接，也可以使用激光焊接技術， 可以滿足 360°無死角的焊接工藝特點。

7 塑料激光焊接新技術新工藝

研究表明，如果采用激光焊接技術，必須要求需焊接的兩(liang) 個(ge) 塑料零部件中的一件對近紅外線激光的透射率在 20%以上，才能獲得良好的焊接效果，即激光產(chan) 生的能量必須透過塑料，在焊接區域被塑料吸收才能完成焊接過程。 所以絕大多數的塑料都能夠滿足此透射率要求， 還是有少數塑料無法使用此焊接技術。

相反，透射率低的塑料其吸收率也就偏高。 如果材料透射率低， 其對近紅外激光的吸收率會(hui) 很大， 從(cong) 而降低焊接熱效率，也會(hui) 引起不同程度的熱變形；如果材料透射率低，其對近紅外激光的吸收率會(hui) 很小， 激光能量無法被有效吸收而導致熱能不足，無法實現焊接過程。

在實際生產(chan) 中，一塊為(wei) 透光性材料，另一塊為(wei) 不透光性材料的焊接方式最為(wei) 普遍。 對於(yu) 不透光的兩(liang) 個(ge) 材料（透光率小於(yu) 20%），激光焊接的應用還存在一定局限性。 而對於(yu) 兩(liang) 塊透明材料（透光率大於(yu) 50%）而言，可通過在焊接麵加入適量的炭黑塗料，大幅提高其對近紅外激光的吸收率，滿足焊接要求。此外，許多礦物填充的化合物，也不適宜用激光來焊接。為(wei) 增加塑料激光焊接工藝的適用範圍， 克服材料本身透光率問題，塗層以及塗料工藝在我國已經發展成熟，並廣泛應用在透明材料以及透光率高的材料焊接中。 塗料在激光的照射下發熱並熔化相鄰層的材料，進而達到焊接的目的。

對於(yu) 兩(liang) 塊黑色或不透光塑料， 由於(yu) 材料本身對激光的吸收率很高，激光無法透射到焊接區域，在過去用激光焊接工藝是不可能實現的。 隨著塑料原材料產(chan) 業(ye) 不斷升級，此問題已經得到有效解決(jue) ，即在兩(liang) 塊黑色塑料中加入特殊的填料和色料，使其在外觀看起來是黑色的，但對於(yu) 激光卻是透明的，從(cong) 而實現黑色材料之間的激光焊接。BASF 公司研發出能透過激光的黑色塑料原料尼龍和PBT，即外觀可以呈現黑色，也有著很高的近紅外線激光透射率。 杜邦公司也推出了幾種黑色的塑料（POM 和尼龍），其近紅外線激光透射率達到 25%~55%。

Gentex 公司 Clearweld 的開發，在塗層和塗料領域處於(yu) 領先地位，主要是致力於(yu) 兩(liang) 塊透明塑料的激光焊接方案。 原先的塗料本身為(wei) 黑色或深色， 在透明塑料上增加有色塗料會(hui) 影響產(chan) 品外觀效果。Clearweld 原料為(wei) 無色，能吸收大多數近紅外激光，其特點就是消除塗料本身的影響，同時也拓展了激光焊接的顏色範圍，不僅(jin) 適用於(yu) 透明製品，對於(yu) 色彩清淡的製品都可以使用激光焊接工藝。

8 塑料激光焊接技術應用前景

目前國內(nei) 塑料激光焊接設備的研發生產(chan) 還處於(yu) 起步階段，大部分設備需要依靠進口。 同時，塑料激光焊接技術也是很專(zhuan) 業(ye) 化的粘結技術， 目前主要應用的行業(ye) 都集中在高科技領域，並處於(yu) 逐年上升趨勢。 該技術已經在很多應用領域比超聲波焊接以及熱板焊接更具競爭(zheng) 力，成本也在不斷降低。 塗料和填料技術的發展已經成功解決(jue) 塑料激光焊接早期的技術瓶頸，同時新工藝、新設備的不斷研發和升級，為(wei) 激光焊接技術帶來更廣闊的應用前景。