首先，我們需要弄清楚有哪些焊接方式？

熱板焊接是塑料焊接技術(shù)中發(fā)展較早、工藝最為簡(jiǎn)單的一種焊接技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前，在車燈制造中使用最多的焊接方式是振動(dòng)摩擦焊接和超聲波焊接。除此之外還有受到越來越多關(guān)注的激光焊接技術(shù)。

從表1中幾種焊接技術(shù)的對(duì)比不難看出，塑料激光焊接有著焊縫美觀、焊接靈活、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，已然成為車燈焊接技術(shù)中的“潛力股”。

表1 不同焊接工藝對(duì)比

激光焊接工藝已經(jīng)應(yīng)用在部分車型尾燈中，比如HYUNDAI的頂級(jí)旗艦車型GENESIS和Equus。

GENESIS

 

GENESI

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備成本的下降，激光焊接正在成為車燈焊接的主流工藝。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使工件熔化，形成特定的熔池。因此，激光光束的能量必須被塑料吸收，才能達(dá)到良好焊接效果（如圖1所示）。

圖1 激光焊接工藝示意圖

所以，塑料在近紅外區(qū)必須具備特殊光學(xué)性能才適用于激光焊接工藝，上層透過層需要保證透過近紅外激光，而下層吸收層則要保證吸收近紅外光。那么，塑料本身的光學(xué)性能是怎樣的呢？

從聚合物形態(tài)來說，非晶型聚合物僅吸收少量的入射光，可以獲得很高的穿透深度。

圖2 四種聚合物（未含添加劑）光譜圖

如圖2所示，四種非晶型聚合物在可見光區(qū)和近紅外區(qū)均表現(xiàn)出很高的透過率。由于結(jié)晶區(qū)的存在，結(jié)晶型聚合物的光學(xué)性能差異較大，激光在球晶區(qū)界面處發(fā)生折射或反射，穿透材料的行程更長(zhǎng)，對(duì)激光的吸收率高于非晶型聚合物。

對(duì)于填充型聚合物材料來說，光學(xué)性能受到填充材料的影響較大。以玻纖為例，Val Kagan研究了不同玻纖含量的PA6增強(qiáng)樹脂的透過率（圖3），發(fā)現(xiàn)隨著玻纖含量的增加，材料的透過率是線性下降的。

圖3 玻纖含量對(duì)PA6透光率和光路長(zhǎng)度的影響（leff：有效光路長(zhǎng)度，0%玻纖作歸一化處理）

綜合而言，大部分聚合物（未添加其他物質(zhì)）在近紅外區(qū)或多或少透過率都比較高，原理上無法作為吸收層應(yīng)用于激光焊接工藝。那塑料激光焊接工藝是如何實(shí)現(xiàn)的呢？特別是隨著設(shè)計(jì)美觀度的要求越來越高，激光焊接工藝對(duì)所焊接材料的要求也越來越復(fù)雜，除了常見的透明-黑色產(chǎn)品焊接，甚至?xí)泻谏?黑色產(chǎn)品、透明-透明產(chǎn)品、白色-白色產(chǎn)品等其他需求。

在上文的敘述中，我們主要介紹了未加添加劑和色粉的聚合物其光學(xué)性能的表現(xiàn)，接下來，我們以激光焊接時(shí)必要的透過層與吸收層為例，說明”色粉“和”添加劑“在面對(duì)越來越復(fù)雜的焊接工藝時(shí)，能為我們提供哪些幫助。

透過層

根據(jù)上文所述，聚合物在近紅外區(qū)具有較高的透過率，因此在選擇上靈活性較大。在車燈上，作為透過層的配光鏡常選擇可見光區(qū)透光率也比較高的PC或PMMA。

當(dāng)涉及其他顏色需求時(shí)，色粉和添加劑的選擇是十分重要的。比如黑色-黑色產(chǎn)品進(jìn)行焊接，一般來說，炭黑是最常用的黑色產(chǎn)品著色劑，同時(shí)也是良好的近紅外光吸收劑，如果透過層也使用炭黑配色，則激光在透過層即被吸收，無法達(dá)到兩層界面處進(jìn)行焊接。這時(shí)，應(yīng)該選擇其他色粉或添加劑，使其肉眼看起來是黑色的，但對(duì)近紅外激光是透過的。

吸收層

對(duì)于吸收層，聚合物需要具備吸收近紅外輻射并轉(zhuǎn)化為熱能的特性，因此，需要選擇合適的色粉以及添加劑提高聚合物在近紅外區(qū)的吸收能力。雖然炭黑是良好的近紅外光吸收劑，但對(duì)塑料的顏色影響很大，并不適用于白色或淺色產(chǎn)品。

對(duì)于白色產(chǎn)品，我們通常選用鈦白粉作著色劑，但需要注意的是，鈦白粉加入后材料反射率提高，透過率下降，同樣不適用于上層透過層。

如圖4所示，Val Kagan[1]等人研究了不同色粉染色的PA樹脂光譜圖，結(jié)果表明選擇不同的色粉會(huì)賦予聚合物近紅外區(qū)不同的光學(xué)性質(zhì)。另外，通過選擇特殊的添加劑，也可以對(duì)聚合物的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，獲得近紅外區(qū)高吸收率的特性。

汽車尾燈殼體常選用PC/ABS材料，通常涉及黑、灰、紅三種配色，黑色與灰色PC/ABS材料配色中添加炭黑，通常可進(jìn)行激光焊接工藝。

另外，針對(duì)紅色PC/ABS材料，許多使用該材料的用戶常常反應(yīng)通常焊接不良。針對(duì)這一問題，通過選擇合適的色粉及添加劑，提高PC/ABS材料的吸收率，可以適應(yīng)更寬的激光焊接工藝窗口，提供更高的焊接質(zhì)量。

以錦湖日麗的高近紅外吸收率的PC/ABS HAC8260-LW為例，對(duì)比普通紅色PC/ABS（如圖5所示）。

從材料角度，我們還需要注意的是：

①激光焊接同樣受到兩種聚合物相容性及熔融溫度差異的影響，兩者相容性越好或熔融溫度越接近，越容易進(jìn)行激光焊接工藝，并獲得更高質(zhì)量的焊接強(qiáng)度。如圖6所示，PC/ABS與PMMA或PC、PC與PBT、ABS與PBT都可以很好地進(jìn)行焊接。

②當(dāng)吸收層聚合物將激光能量轉(zhuǎn)化為熱能發(fā)生熔融時(shí)，體積會(huì)發(fā)生膨脹，因此有必要在上下兩層件通過夾具施加一定的夾持力以避免焊接界面因膨脹變形。不僅如此，夾持力同時(shí)確保熱能在兩層間更好地進(jìn)行傳導(dǎo)，保證兩種聚合物能夠同時(shí)熔融從而獲得更高的焊接強(qiáng)度。

另外，在激光焊接工藝的選擇上，激光器功率過高或焊接時(shí)間過長(zhǎng)容易造成材料熔融過度導(dǎo)致降解，為達(dá)到理想的焊接質(zhì)量應(yīng)該選擇合適的激光功率、掃描速度及焊接時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kagan V, Bray R, Chambers A. Forward to Better Understanding of Optical Characterization and Development of Colored Polyamides for the Infra-Red/Laser Welding: Part I-Efficiency of Polyamides for Infra-Red Welding[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2003, 22: 533-547.