激光的波长不同，波长对光和塑料材料的相互作用有很大的影响。这个过程的性质取决于塑料的类型、厚度和包含的助剂。复杂形状可以用位置分辨率高、宽度小于100 m的激光焊接加工，因此可以使用多种材料加工设备加工导管、微流量控制装置、管道、包装、电子产品箱、膨胀装置等多种产品。
塑料类型
热塑性塑料是长链分子聚合物材料，在高于特定温度的温度下制造，可以重新加工或焊接成其他形状。与其他不能溶解的热固性聚合物不同，热塑性塑料的分子链没有交叉，也没有坚固的网络。在高温下，分子可以自由运动，材料可以像液体一样流动。工业塑料的熔化或软化温度在120 ~ 343之间。热塑性塑料可分为半结晶(牛奶形状)和非晶(玻璃化)。半晶类是由非晶材料包围的小晶体。这种结晶能折射光线，改善外观，限制激光辐射的传输。这反过来限制了透射激光焊接的最大厚度。一些塑料可以用两种类型的材料制作，但通常不能。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)和聚醚醚酮(PEEK)等半结晶，聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)为非结晶材料。
图1:聚丙烯材料的激光透射焊接表明，熔化区域可以非常均匀地影响炭黑填充和未着色塑料。这意味着所有剩余的能量将立即被黑色材料表面吸收(由TWI提供)。
激光类型及其与塑料的相互作用
与各种类型激光的相互作用在很大程度上取决于激光产生的波长，决定塑料吸收能量的形式。
激光焊接最常见的形式是透射法。在这种情况下，激光束通过零件上方到达下部零件的表面。在这里加热和熔化。使用的激光波长范围为750-1500 nm，由二次光、光纤、掺杂钇铝石榴石激光棒(Nd:YAG)激光产生。总的来说，塑料不能像紫外线(UV)或中红外(mid-IR)辐射一样吸收这种辐射波长。这一范围内的能量吸收水平在很大程度上取决于塑料的助剂使用及塑料是半结晶还是非结晶。如果塑料不包含填充物或颜料，激光可以在半结晶塑料中再渗透几毫米，但在无定型塑料中几乎不会衰减。可以通过颜料、填充物等助剂，特别是炭黑颜料等提高激光吸收水平。
从1.6m以上的波长到天然无色塑料对激光辐射的吸收水平逐渐提高，到5m以上的IR，对波长的吸收非常强。对于光纤激光器或掺杂-YAG激光器产生的波长为2 m的激光器，激光束发出的能量留在所有塑料(半结晶或非晶)材料上面几毫米。无需其他能源吸收器的辅助，即可直接焊接几毫米厚的板材。这种激光称为直接激光焊接。这是因为激光束不需要通过上部零件到达熔接线。直接激光焊接技术尚未广泛用于塑料连接，但潜力巨大。
二氧化碳(CO2)激光是常用于切割塑料薄膜、板材和面料的成熟材料加工工具。二氧化碳激光辐射能(波长10.6 m)被所有类型的塑料表面层快速吸收。能量预计在激光束所指的地方先加热0.2毫米厚的塑料，薄塑料薄膜的情况下，中等功率的激光(低于1000 W)也能迅速加热，迅速完成焊接。焊接速度可以超过1000 m/min。
透射激光焊接
透射激光焊接技术1985年首次在IR渗透性塑料材料的上层和炭黑填充塑料零件的下层报道。炭黑吸收激光束的能量，接受热量，在两个部件的交叉接口上形成焊接。这个过程虽然有限制，因为零件必须是黑色的，但仍然是最常用的激光焊接方法。零件的上部需要激光能量的一部分(通常为10%以上)，才能先加热下部零件的表面，而不是上部零件的上表面(图1)。在这张图中，两种材料的熔体深度基本相同，这表明黑色表面被热点高度集中。黑色表面就像部件中的加热零部件一样，为周围的零件提供快速加工、最低限度的热损伤，从而最大限度地减少连接点的变形或污染。
1998年激光焊接用替代能源吸收器的到来使连接处的颜色不再显眼。其中一种是Clearweld，这是一种类似于其他可见油漆的IR吸收漆。可以用喷涂、打印、垫子、大头针或笔涂上连接线，也可以添加到下面的部分(图2)。图3是在两个透明PMMA部件连接表面之间放置能量吸收器焊接的部件。几乎所有的颜色混合现在都可以通过透射激光焊接技术焊接。填料含量高的塑料可能会出现主要问题，因为上面的零件不能让激光束通过连接部位。在这种情况下，需要减少填充物、更改粒子大小、减少光的散射或考虑其他焊接工艺。
图2:连接距离处用IR吸收器透射的激光焊接。
透射激光焊接应用领域包含：
医疗器械
包装
汽车零部件
消费者产品
电子封装
纤维纺织
这种技术应用在纺织品上很有趣。该工艺为只有连接表面而不是熔体外部表面的织物提供了新的焊接方法。这样一些纤维就不会融化，面料强度不变，一般柔韧性也不变。图4显示了防水夹克的设计，其中在防水面料复合层进行连续、密封的重叠焊接。这为防水服装、个人防护服和其他纺织服装的进一步自动化打开了潜力。
图3:用IR吸收器焊接透明PMMA的容器激光束被引导到容器壁下，几乎看不到焊接痕迹。
该工艺还延伸到纤维增强聚合复合材料，其中复合材料的基材通过激光源加热和溶解，纤维增强材料在此过程中保持不变。
透射激光焊接可用于玻璃纤维或聚合物纤维增强复合材料及填充物含量不高的基材。如果使用碳纤维或器材为黑色或充电量大，则无需激光束通过零件即可直接使用激光焊接方法。
图4:这件防水外套有激光焊接缝，比缝合缝或防水接缝的防水技术更有效率(图由TWI提供)。
直接激光焊接
激光能量不通过选定的辐射波长或材料类型而穿透材料时，塑料上表面开始熔化。该连接方法称为直接激光焊接。CO2激光器首先用于这个过程。薄薄膜的焊接预计会达到非常快的速度。可以看到各种类型的塑料薄膜以高达1200 m/min的速度焊接的例子。控制激光束的功率分配，切割彼此接触的两个塑料薄膜，在切割边缘留下焊接区域，在包装或包制作过程中同时完成切割/密封加工。
图5: 67 W 1940 nm掺杂光纤激光器，以4.5 m/min的速度焊接，在PMMA中熔体深度达到3mm。
对于厚度为0.2-5 mm的塑料，可以使用波长为2-3 m的激光源进行传统对接焊接(图5)和其他类型的连接。不需要额外的吸收器，但要控制塑料的渗透性能，使焊接质量保持稳定。
结论
聚合物产品可以使用多种加工机制(辐射波长与材料一致)和多种设备类型(如门架、机器人、扫描仪或固定辅助管阵列)进行激光焊接。激光为准确的加热和局部熔化提供了有效的能源。焊接速度快，强度高，外观漂亮。使用非常紧凑的二次管和光纤激光源，可以获得高效的焊接工艺，使高水平的自动化变得容易，因此被广泛应用于各种行业和产品类型。
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