1　引言

激光透射焊接具有焊接速度快、自动化程度高、加工应力小等诸多优势^［1］，是热塑性塑料连接的一种常见方式。用该方式焊接的塑料制品被广泛应用于汽车零件制造、医疗、电子及食品包装等领域^［2-4］。

国内关于激光塑料焊接的研究主要集中在焊接参数（激光功率、焊接速度、离焦量、保压时间、光斑大小等）对焊接效果的影响^［5-7］、不同种类吸收剂的制备与探索^［8-10］、焊接过程中的温度场分布、材料形变等方面的仿真模拟^［11-13］及不同算法预测焊接结果^［14-15］等方面。

随着中国经济的蓬勃发展及人民生活水平的提高，在人口老龄化、新冠疫情暴发等问题的推动下，我国对医疗用品的需求不断增加，而医用透明塑料具备的各种优异性能则可以满足医疗行业的多种需求。透明塑料对常见的近红外波段（800~1100 nm）的激光吸收率较低，使用这些波长的激光器焊接透明塑料需要添加具有一定污染性的吸收剂，此外还会引入额外的成本和复杂的加工工序^［16-17］，这无疑限制了激光焊接技术在医疗塑料制品生产方面的应用。

相关研究表明，透明塑料对波长在1.7~2 µm的光吸收强烈^［18］，此波段的激光可以对透明塑料直接进行焊接。聚碳酸酯（PC）是一种被广泛应用的工程性塑料，具备较好的透光性和很强的抗冲击能力，其焊接制品可应用于需要反复消毒的医疗器械中，如高压注射器、外科手术面罩、血液分离器等医疗器械。医用级聚碳酸酯耐用性强，可经受清洗剂、加热和大剂量辐射消毒且物理性能不会发生改变，因而可应用于人工肾血液透析设备^［19］。可见，研究透明PC塑料的焊接工艺对医疗领域有重要的意义。国内关于透明PC塑料的无吸收剂焊接研究较少，本文选择使用1710 nm和1910 nm两种波长的半导体激光器对透明PC塑料进行了焊接研究，比较了两种波长对PC塑料焊接效果的差异，通过调整焊接速度和离焦量等参数观察试样焊缝的变化规律，通过拉力试验测试焊缝的强度，寻找适合本次焊接试验的工艺参数组合。

2　试验原理及方案

2.1　激光焊接原理

图1为传统激光透射焊接和激光无吸收剂透射焊接的原理图。透明塑料对近红外波段的光的吸收率α1较小，激光经过两层塑料后只有较少部分被吸收，难以产生足够的热量使焊接完成，因此需要在下层塑料的上表面添加激光吸收剂，其对激光的吸收率α2远大于α1，激光被吸收剂吸收后释放热量，在附近形成热作用区，两层塑料板材在压力和热膨胀的作用下产生强键合作用从而焊接在一起。透明塑料对1.7~2 µm的激光吸收较强，只需将激光束聚焦于两透明塑料的接触面，激光就可以被两层塑料大量吸收，从而无需使用吸收剂。

图 1. 激光透射焊接原理图

Fig. 1. Schematic diagram of laser transmission welding

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2.2　试验材料

图2为本次试验所用PC塑料板（尺寸为60 mm×30 mm×1.5 mm）的透过率曲线图，从图2可以看出，PC在近红外波段（0.8~1.1 µm）的透过率约为87%，在1710 nm和1910 nm处的透过率分别为64.8%和74.8%。根据能量守恒定律有，

图 2. PC材料的透过率曲线图（插图：虚线框内透射曲线的放大图）

Fig. 2. Transmittance of the PC material (inset: zoom-in transmission curve in the dotted box)

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式中：P为激光输出的总功率；Pα为聚合物吸收的功率；Pβ为材料透过的功率；Pγ是材料表面反射的功率。通常情况下PC塑料板的反光率约为10%^［20］，因此PC塑料对1.7~2 µm激光的吸收率明显高于0.8~1.1 µm激光，同时兼具较好的透光率，这是该波段的光可以直接焊接透明塑料的原因。材料的拉伸强度公式为

式中：σ为材料的拉伸强度（单位为MPa）；F为材料断裂时所能承受的最大力值（单位为N）；A为材料断裂时的截面积（单位为mm²）。经测试本次试验所用的PC塑料板母材的破坏拉伸力为2528 N，试样的截面积为样品厚度乘以宽度，经计算PC塑料板的拉伸强度为56.2 MPa。

2.3　试验装置

图3为本次试验的焊接装置图，激光器输出的激光经光纤耦合传输至焊接头，焊接头的运动轨迹通过三维移动平台带动，沿Z轴方向调整焊接头使激光聚焦于治具夹紧下的两层塑料的接触面，沿Y轴在长为30 mm的线段上进行焊接。

图 3. 焊接装置

Fig. 3. Welding device

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进行焊接试验前将塑料板材进行超声处理，减少表面油污，防止对焊接效果产生影响，清洗完成后放入干燥箱烘干。焊接完成后使用电子显微镜观察焊缝的微观形貌，使用电子拉力试验机测试焊接试样的拉断力F，寻找最佳的焊接效果。影响焊接质量的主要因素为激光功率P、焊接速度v和离焦量s，试验通过控制变量的方法研究各因素对焊接强度的影响。

3　试验结果与讨论

3.1　1910 nm和1710 nm激光焊接PC塑料对比试验

分别使用1910 nm和1710 nm的半导体激光器对PC塑料进行焊接，试验结果如图4所示。

图 4. 功率为20 W时焊接速度对试样拉断力的影响

Fig. 4. Effect of welding speed on the tensile force of specimen with laser power of 20 W

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在激光功率保持20 W不变的情况下，当焊接速度分别为5 mm/s和8 mm/s时，使用1910 nm和1710 nm激光焊接的PC试样出现被烧焦的现象。随着速度的增加，两种波长的激光所焊接的PC试样的强度均呈现出先增后减的趋势，且拉断力的最大值和变化规律有较好的一致性，这说明两种波长的激光都可以有效地焊接两层透明PC塑料。由于PC塑料对1710 nm激光的吸收更加强烈，在同种焊接效果下使用该波长的激光焊接速度更快，可以更快地达到预期效果从而提高焊接效率，因此下文选择使用1710 nm的激光研究各参量对焊接效果的影响。

使用1710 nm激光焊接的试样，其焊缝微观形貌如图5所示。当焊接速度较低时，激光能量密度较大，焊缝中心的温度达到PC的分解温度，材料被严重烧焦；当焊接速度增大时，焊缝局部位置存在激光烧蚀产生的空洞，此时塑料的焊接强度较大。随着速度继续增加，焊缝内部的烧蚀和气泡逐渐消失，焊接的强度逐渐降低。

图 5. 在不同焊接速度下形成的焊缝的微观图。（a）v=8mm/s；（b）v=9mm/s；（c）v=10mm/s；（d）v=11mm/s；（e）v=12mm/s；（f）v=13mm/s

Fig. 5. Microstructure of welding seam with different welding speeds. (a) v=8mm/s; (b) v=9mm/s; (c) v=10mm/s; (d) v=11mm/s; (e) v=12mm/s; (f) v=13mm/s

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3.2 焊接速度和激光功率对焊接效果的影响

图6展示了使用1710 nm激光焊接的试样，其焊缝宽度与焊接速度之间的变化规律。试验中，激光功率固定在20 W。随着焊接速度逐渐增加，焊缝宽度持续变小。在塑料未严重烧焦（焊接速度在9~13 mm/s）时，焊缝宽度与试样的拉断力成正相关。

图 6. 焊缝宽度和拉断力随焊接速度的变化关系

Fig. 6. Relationship between weld width and tensile force with welding speed

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现在保持焊接速度8 mm/s不变，改变激光功率（6~20 W）进行试验，得到的焊接试样的拉断力如图7所示。在焊接功率为6 W时，激光的能量密度较低，产生的热量不足以使塑料熔化，焊接失败。在激光功率增加至17 W之前，试样的拉断力一直增加，最大达到了1156.8 N。随着激光功率继续增大，PC塑料被烧焦，试样的拉断力降低。

图 7. 焊接速度为8 mm/s时激光功率对试样拉断力的影响

Fig. 7. Effect of laser power on the tensile force of specimens with welding speed of 8 mm/s

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3.3　离焦量对焊接效果的影响

激光无吸收剂透射焊接同种塑料时，由于两层塑料对激光的吸收率相同，激光能量经过上层塑料后被部分吸收，到达下层材料时强度会有所衰减，上层塑料不可避免地会比下层塑料吸收更多的激光能量。为防止上层塑料吸收过多激光能量而发生烧焦或使下层塑料熔化不充分，导致焊接试样质量下降，可以适当地把离焦量s从0调整至较小的负值（在本文中，定义激光聚焦于两层塑料的接触面时的离焦量为0），使得激光到达上层塑料上表面时的光斑直径D变大，从而减小激光的功率密度，减少上层塑料对激光的吸收，如图8所示。

图 8. 离焦量的定义

Fig. 8. Definition of the defocusing amount

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本文选择离焦量为-3 mm和-6 mm的试验作为离焦量为0 mm的对比试验。改变离焦量得到的焊缝形貌如图9所示，图中各组试验的激光功率和焊接速度均分别保持在20 W和8 mm/s。

图 9. 不同离焦量下的焊接试样。（a）s=0mm；（b）s=-3mm；（c）s=-6mm

Fig. 9. Welding specimens with different defocusing amounts. (a) s=0mm; (b) s=-3mm; (c) s=-6mm

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从图9中可以看出，随着离焦量从0开始减小，焊缝宽度逐渐加宽，且上层PC塑料没有因吸收过多的激光能量而被烧焦。当离焦量为-3 mm时，焊缝中心产生了些许肉眼不可见的气泡；随着离焦量的继续减小，气泡完全消失。三种焊接条件下得到的试样的拉断力分别为915.6 N、1161 N和1013.4 N。保持功率为20 W，在不同的离焦量下，调整焊接速度观察拉断力的变化趋势，试验结果如图10所示。

图 10. 不同离焦量下试样的拉断力

Fig. 10. Tensile force with different defocusing amounts

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当离焦量为-3 mm、焊接速度为7 mm/s时，PC板材开始出现被烧焦的情况，试样的拉断力为1224.6 N。当离焦量为-6 mm，焊接速度为6.5 mm/s时，PC塑料未被烧焦，焊缝中存在少量肉眼难以观察到的气泡，此时试样的拉断力达到了最大值1334.4 N，对应的焊缝宽度约为1.3 mm，经计算，焊缝的剪切力达到了34.2 MPa，为PC本体的60.9%。当焊接速度降至6 mm/s时，试样被烧焦，焊接强度开始下降。进一步设置离焦量为-9 mm进行研究，此时激光焦点距离两层塑料的接触面过远，焊接效果不理想。

3.4　焊缝断口形貌分析

设置激光功率为20 W，焊接速度为8 mm/s，离焦量为0 mm，对应试样焊缝的断口形貌外观如图11（a）所示。上层的塑料吸收激光能量过多，导致PC本体被严重烧焦，拉力测试时PC板材直接断开。保持激光功率和焊接速度不变，设置离焦量为-3 mm，得到的试样经拉力测试后的外观如图11（b）所示。此时，两层PC塑料板可以完全分离。通常情况下，焊接试样经拉力测试后从焊缝处断裂意味着实际焊接强度接近基材强度，而两层塑料完整分离意味着焊接强度低于基材强度^［17］。但对于本文来说，焊缝断裂是因为上层塑料吸收了过多的激光能量，PC塑料板被严重烧焦，导致本身强度下降，而非因为实际焊接强度接近母材原有的强度。此外，上层塑料烧焦还会影响焊接试样的外观。综上所述，使用1710 nm激光作为光源时，适当的负离焦量可提高同种PC塑料焊接的强度并减轻上层塑料的烧焦程度。

图 11. 拉力测试后的焊接试样。（a）焊缝断裂；（b）焊缝分离

Fig. 11. Welding specimens after tensile test. (a) Weld fractured; (b) weld separated

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4　结论

本文使用1710 nm和1910 nm两种波长的激光器对同种PC透明塑料进行了焊接研究，分析了材料的光谱特性，证明所用波长激光的优势和可行性。结果表明，1710 nm和1910 nm两种波长的激光器都可以有效地对PC塑料进行焊接。两者的焊接效果差距较小，但1710 nm激光焊接的效率更高。

在PC材料未被烧焦的情况下：保持焊接速度不变，焊接得到的透明PC试样的拉断力随激光功率的增大而增加；保持激光功率不变，试样的拉断力随焊接速度的减小而增加。

适当将离焦量调整为负值可防止上层塑料被烧焦，有效提高焊接试样的强度。基于本文所使用的激光器和试验材料，在激光功率为20 W、焊接速度为6.5 mm/s、离焦量为-6 mm的情况下，得到了剪切力为34.2 MPa的PC焊接试样，试样的强度达到了PC本体的60.9%。