激光的波長

在激光焊接工藝（金屬材料）中, 一般采用YAG或者CO2激光作為光源,塑料焊接也不例外.
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(duì)光源功率大小要求不高,但對(duì)可控性和易操作性要求較高,因此半導(dǎo)體激光在塑料焊接中也很有用武之地.
CO2：半導(dǎo)體激光三種光源的波長與zui大功率以及zui小聚焦直徑等參數(shù)典型值如下：
CO2激光：波長較長,為10.6微米,屬遠(yuǎn)紅外波段,一般情況下塑料材料對(duì)這一波長的吸收情況好.目前zui大輸出功率達(dá)50kW,轉(zhuǎn)化效率約10％,zui小聚焦直徑約0.2～0.7mm.焊接塑料時(shí)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(xué)系統(tǒng)來構(gòu)建剛性傳輸光路,從而影響激光頭的操作性.
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.zui大輸出功率6kW,轉(zhuǎn)化效率為3％,zui小聚焦直徑0.1～0.5mm.Nd:YAG激光的特點(diǎn)是聚焦區(qū)域小,可以方便地通過光纖傳輸來構(gòu)建光路,可將激光頭裝到機(jī)器人手臂上,實(shí)現(xiàn)焊接過程的數(shù)控和精密自動(dòng)化；另一方面可以較好地透過上層的待焊接材料,到達(dá)下層待焊接材料或者中間層而被吸收,從而實(shí)現(xiàn)焊接.
半導(dǎo)體激光：波長0.8～1.0微米,zui大輸出功率6kW,轉(zhuǎn)化效率30％,zui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(chǎng)合,如小型塑料器件的精密焊接.半導(dǎo)體激光能量轉(zhuǎn)化效率高,易于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化和便攜化.

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.
塑料激光焊接技術(shù)對(duì)被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料,要求對(duì)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(duì)光波的透過性好,尤其在對(duì)兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此.一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的.目前能夠使用激光焊接機(jī)的單種成分塑料包括：
PMMA――聚甲基丙烯酸甲脂（有機(jī)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.

吸收劑 ：

吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝.如前所述,塑料激光焊接設(shè)備的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化,隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合.讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量.塑料自身能夠以較高吸收率吸收激光能量自然zui好,但一般在不添加吸收劑的情況下,塑料對(duì)光波的吸收性不是很好,吸收效率很低,融化效率不理想.
通常理想的吸收劑是碳黑,碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收,從而大大提高塑料的熱吸收效果,使得熱作用區(qū)的材料融化更快、效果更好.一些其他顏色的染料也能夠起到相同的吸收光波的效果.
添加吸收劑的方法有3種：一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑,這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面,而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面,讓激光光波通過；二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑,這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化；三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑.

離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響

激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。