塑料激光焊接技术本身已经发展了几十年，不是一个新技术。但是在最近几年，随着激光发生器价格下降，电子/电气元件体积减小，以及更加苛刻的外观要求，塑料激光焊接工艺正迅速被各行各业所应用。

1 塑料激光焊接工艺

使用一种精确的红外激光束（波长有1um和2um两种）。激光束通过上层透射材料传输，然后被下层材料表面吸收。这两种材料紧密接触，当激光能量被吸收时，它们之间连接处升温并熔化，最终形成化学连接。
该工艺分为3个阶段：

• 第一阶段：压紧。通过治具压板将上下零件压紧，红外透明材料在上，吸收材料在下。

• 第二阶段：加热。激光透过上层，被下层零件表面吸收，加热和熔化焊筋。

• 第三阶段：冷却。关闭激光，保持夹紧力，使焊缝冷却并凝固。

2 塑料激光焊接优点

• 焊缝清洁，无颗粒物污染。采用红外激光束而非摩擦加热方式，因此焊接过程不产生颗粒物。同时，可以精准的控制加热区的位置和大小，因此溢料控制更灵活简单。

• 快。能量的高度集中意味着塑料的加热速度非常快。

• 热影响区域控制精准。因此，非常适合小型化的电子电气产品。

• 无有害振动。避免了对内部元件的损伤。

3 塑料激光焊接缺点

• 激光系统配置成本高。

• 对零件材料有特殊要求，上层零件透光率应大于15%，下层零件需要添加1%体积的炭黑。

• 零件结构设计有限制，一般要求上层零件厚度小于3mm，且不能有结构阻挡激光束。

• 注塑精度有一定要求，零件平面度应小于0.2mm，装配后上下层之间间隙应小于0.1mm。

4 激光焊接系统选择 按照激光波长可分为：1um和2um的焊接系统。

目前广泛使用1um激光焊接系统，1um激光焊接原理如上文所述，是采用上层透射+下层吸收原理进行连接。无法对上下均透明的零件进行焊接。

2um激光焊接系统，是对上下零件同时加热，在结合处温度上升最快，从而熔化并形成连接。能够对上下均透明的零件进行焊接。2um激光焊接的速度较1um激光焊接更慢。目前只有美国Dukane和德国的LPKF有该技术和设备。

本文介绍的仅限于主流的1um激光焊接系统。

按照激光束的扫描方式，1um激光焊接系统又可分为 轮廓扫描焊接系统、准同步焊接系统，和同步焊接系统。目前，主流是1um的准同步激光焊接系统。

• 轮廓扫描激光焊接。通过伺服驱动激光头或者零件，使得激光束在焊接路径上移动。具有足够的能量来熔化和连接零件。该方式适合平面对平面的焊接，或者塌陷距离小于0.1mm产品。

• 准同步激光焊接。激光头固定，通过镜头（镜头里面有两面伺服控制的偏光镜）在一定区域内对焊筋进行扫描加热。扫描速度可达500mm/s，并且可根据需要扫描多圈。因此，可认为一圈焊筋同时熔化和连接。也是目前主流且经济的激光焊接系统。适合的产品尺寸，最大可达1m×1m（根据不同材料和应用会有所差异）。

• 同步激光焊接。利用多个或数十个光纤激光器，根据焊缝轨迹进行排布，同时对焊筋进行加热。优点是焊接速度快。缺点是系统价格最高，且因激光头布置固定，所以换型成本高且不方便。目前，美国Branson拥有该技术。

5 材料添加剂对激光焊接的影响 关于颜料或者染料。实际上，任何颜色组合都可以应用激光焊接。最佳选择是上层材料自然色，下层材料加1%的炭黑。其次是黑色对黑色零件焊接，一般上层材料选择红外透明黑色，下层材料添加炭黑。白色对白色也可以焊接。最难的是透明对透明焊接。

应该注意的是，半结晶材料如PEEK或者LCP，当作为上层透明层时，应采用自然色，不能添加颜料或者染料，会影响焊接。

玻璃纤维大大降低了塑料透射率。所以，当上层透明层采用PBT+30%玻纤材料时，厚度不应该超过2mm。生产中尤其要注意，注塑模具温度对透射率有很大的影响（如冷却太快或太慢等）。如果使用尼龙，玻纤含量不应超过35%。

添加剂选择参考表。从下表中可以得到：
• 大多数热塑性塑料，包括无定形和半结晶两种，在自然色或者透明色状态下，都可以采用塑料激光焊接。

• 无定形材料允许玻纤含量小于40%，半结晶材料允许玻纤含量应小于20%。

• 无定形材料可以使用染料或者颜料进行上色，半结晶材料使用染料或者颜料上色时无法焊接。

6 焊缝设计

常见的焊缝设计有三种：
1. 搭接设计（Lap Joints）；
2. T筋设计（T Joint / Collapse Rib）；
3. 径向过盈设计（Radial Joint）。

7 搭接设计

这种类型的焊缝设计经常出现在微流体装置，小屏幕产品和纺织类应用上。有时，也在零件表面做出小于0.1mm焊接筋。下图在微流体装置上使用的高度小于0.1mm焊接筋。

8 T筋设计

上图中A是激光束光斑尺寸，一般为0.5-4mm，大小可调。B是压板空间，应大于0.5mm。C是上层厚度，一般应小于3mm。厚度大小取决于材料和添加剂，例如，透明的PC厚度可达10mm仍可以焊接，PBT+30%玻纤，上层厚度应小于2mm。E是焊接距离，也叫做塌陷距离。一般塌陷距离设计在0.15-0.7mm之间，常见是0.3-0.4mm。

该设计类似超声波焊接的焊缝设计，有两点优势：
• 通过塌陷，克服零件尺寸误差，或者翘曲导致的焊接问题；
• 通过监测塌陷距离，可判断焊接质量和稳定性。
典型焊缝设计案例

产品尺寸100mmx75mm，需要满足密封和无溢料的要求。
焊缝设计如上图所示：筋宽度2-3mm，焊接深度0.3-0.4mm。
9 径向过盈设计

要求内外零件过盈配合即可。过盈量应该在克服所有零件公差后，仍余有一定的干涉量。一般经验，过盈量是直径的1%-2%。例如，直径10毫米圆件应有0.01mm-0.02mm的干涉，才能得到好的焊接结果。

下图是采用径向焊缝设计的产品。

10 零件设计

防止错位导致外观不良，可在筋两侧设计定位凸台，如下图所示。也可以通过设计其它结构进行定位。

零件设计中应考虑避免激光束被其余结构阻拦。
同时，为了避免在零件表面反射，激光束应处于零件法线±15°区域内。可以用CAD对以上情况进行模拟。

来源：超声技术和应用HighTech