综述：热塑性塑料激光透射焊接

江苏激光联盟导读：

本文概述了一些典型热塑性塑料的激光透射焊接（LTW）生产工艺。由于LTW所涉及的复杂的物理和化学过程可以使用更有利于优化过程参数的模型来模拟，为了进一步了解焊接过程，本文还讨论了LTW使用的有限元法、响应面法、人工神经网络和其他混合方法。文章最后对当前的研究进行了总结，并就未来发展方向进行了展望。

全文摘要：

热塑性塑料广泛应用于工业和生活领域。激光透射焊接(Laser transmission welding-LTW)让提高不同热塑性塑料的综合性能成为了可能！本文根据材料的组成和结构分类，对热塑性塑料(FRP/PC/ABS/PET/PP/PMMA)的激光透射焊接工艺进行综述。讨论了激光功率、扫描速度等典型激光参数对材料焊接强度的影响。阐述了增强剂或添加剂对激光焊接的影响。

作为实验工具的建模和仿真方法也有所讨论，认为有限元法是建模和仿真的主要技术。响应面法和人工神经网络在焊接研究中也显示出优势。混合方法结合了各种建模和仿真方法，可以更有效地优化工艺参数。未来仍需通过将实验与建模和模拟相结合进行大量研究提高热塑性塑料的焊接质量。

为便于理解，将涉及的缩写词汇罗列如下：

激光透射焊接(Laser transmission welding-LTW)、纤维增强热塑性塑料(fiber-reinforced thermoplastics-FRP)、聚碳酸酯(polycarbonate-PC)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(acrylonitrile/butadiene/styrene-ABS)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate-PET)、聚丙烯(polypropylene-PP)、 聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate-PMMA)、聚酰胺（Polyamide-PA)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide-PPS)、聚乙烯-醋酸乙烯酯(PEVA)、有限单元法(Finite Element Method-FEM，也称为有限元法)、响应面法（Response surface methodology-RSM)、人工神经网络(artificial neural network-ANN) 、混合方法(Mixed method-MM)。

1. 简介

热塑性塑料因其低密度、良好的柔韧性和低成本等优异性能而被广泛应用于汽车、家具、生物和医疗领域。随着工业的快速发展，单片材料已经不能满足极端环境下多样化的性能要求。激光透射焊接结合了不同的热塑性塑料，可获得机械强度、耐温性和导热性等更好的综合性能，则显得十分有“前途”。在微加工领域，激光透射焊接也可用于加工复杂零件。尽管对各种金属（铜、铝和钛等）以及相应合金的激光焊接已经研究多年，但热塑性塑料在激光透射焊接中面临的多重挑战仍然需要解决。

▲图1 透明材料的LTW示意图

如图1所示，当激光束穿过透光的上层部分并聚焦在吸收性的下层时，由于热扩散，材料在焊接界面上熔化并使其相连接。由于透明材料位于焊接表面和激光束中间，能量传递过程更难控制，以拉伸强度、微观结构和元素组成为标准的高焊接质量也难以保证。回顾相关研究，可以发现在激光焊接领域，研究人员已经对镁、铜和钛的合金进行了广泛的综述。然而对于热塑性塑料，相关研究只限于LTW中PC和PA6（如图2）的热降解。因此，需要对热塑性塑料的LTW进行全面的回顾，从而更好地了解其研究史，补阙挂漏、全面优化、臻于至善。

▲图2 在20 W的功率和25 mm/s的扫描速度下，接触-LTW过程中从含0.1 wt% 炭黑的PA6的FEM热模型的输出

2. 热塑性塑料的LTW过程

对于不同的焊接材料，选择合适的工艺条件以获得更好的焊接质量。因此，此文讨论的典型热塑性塑料的焊接工艺以及工艺参数对焊接性能的影响就十分重要。

2.1 FRP

▲图3 (a)热影响区示意图、(b)实验横截面热影响区对比、(c)热接触模型和(d)传统模型

碳纤维因其抗拉强度优良、重量轻而成为最广泛使用的增强材料。通过在基体中加入碳纤维，可以提高热塑性塑料的机械性能和耐热性（如图3）。碳纤维增强热塑性塑料(CFRP)作为工程材料发挥着越来越重要的作用。Jaeschke、Wippo等人使用半结晶聚苯硫醚作为基质来执行CFRP的LTW操作。设计了不同厚度、非纤维的焊接材料作对比实验。

结果表明，碳纤维对复合材料的吸波性能有显著影响，纤维增强有利于提高剪切强度。碳纤维的取向改变了温度分布，并导致焊缝的形成。实验结果表明，选择合适的激光扫描路径有利于提高焊接质量的稳定性。在单位长度低能量下，在焊接部件的连接处观察到显著的间隙。随着工艺参数值的增加，热损伤变得更加严重。由于材料内部产生孔隙，聚苯硫醚在高温下分解。随着碳纤维排列方式变化，聚苯硫醚之间的热传导也发生变化，导致焊接透镜的高度随之下降。

▲图4 焊接参数下样品横截面:(a)不同的单位长度能量和(b)碳纤维排列 Es = 100焦耳/厘米

Berger等人研究了PA6透明填充材料的LTW效应，以连接碳纤维增强的PA6。发现焊接表面粗糙度对焊接质量影响不大，光功率和进给速率的工艺参数取决于材料的光学性质。

玻璃纤维也是热塑性塑料中典型的增强材料，由尼龙掺杂玻璃纤维组成的焊接结构部件广泛应用于汽车和园林领域。Grewell等人研究了玻璃纤维增强尼龙复合材料的LTW效应——拉伸强度随着玻璃纤维含量的增加而增加。他们还研究了不同着色剂对激光透射率的影响。图5显示了不同波长下有色尼龙的透射率。除白色尼龙外，透射率随着波长的减小而减小。红、天然、黄、绿、白的透射率依次递减。

▲图5 不同波长下有色尼龙的透射率

Chen M等用直接扫描法测量了玻璃纤维增强PA6的吸收系数。虽然该方法应用广泛，操作容易，不需要特殊的实验室环境，但无法测量反射率。不含吸收剂添加剂的PA6的吸收系数也显示出类似的缺陷。如图6所示，在PA6复合材料中，吸收系数与炭黑(CB)的含量成正比关系。其他相关研究表明纤维增强材料分解纤维导致更长的透射路径。因此，吸收率更接近材料表面。与没有玻璃纤维的材料相比，增强材料中不仅散射光增加，而且激光能量的峰值也降低。

▲图6 直接扫描法测量了不同CB水平和激光扫描速度的PA6吸收系数: a不含玻璃纤维，b含玻璃纤维

2.2 PC

Sekou等人研究了激光功率和扫描速度对焊接强度的影响，发现材料虽然会在高能量输入、高功率和低速度下分解，但低功率和高速度下的低能量输入不足以熔化材料。结果表明，在中等激光功率和速度下，可以获得良好的焊接强度，并且不会影响焊接质量。

表1 焊接质量的代表性指标——焊接强度和宽度对激光功率和扫描速度的敏感度并不相同

为了增加材料对激光的吸收，炭黑通常被用作热塑性塑料中的添加剂。Wang CY等人研究了聚碳酸酯中炭黑的尺寸、形状和分布。由于分散性较好，炭黑在聚碳酸酯中的粒径在5-20纳米之间，比炭黑在尼龙6中的粒径小。由于光学特性是焊接过程的重要方面，因此选择合适的激光波长对于提高LTW质量至关重要。添加剂的引入对获得更好的材料焊接质量起着积极的作用。然而，与没有吸收器的方法相比，该方法相对复杂。

Mamuschkin等人研究了不同二氧化钛含量的聚碳酸酯焊接表面968纳米和1530纳米激光波长的强度分布。如图7所示，在波长为968纳米时，强度随着二氧化钛含量的增加而显著降低。强度的损失可以通过增加激光功率来补偿，但是对于二氧化钛含量为2%时的零强度无效。虽然在1530 nm波长处观察到类似的激光强度趋势，但衰减显著减缓。这一结果表明，在1530纳米下运行的含二氧化钛的聚碳酸酯在LTW可以实现节约更多能量。

▲图7 不同二氧化钛含量下连接面的激光强度分布

2.3 ABS

ABS也是一种很有前途的热塑性塑料，可以通过改变丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三者的组成来表现出不同的性能。Vidal等人对天然ABS和碳纳米管掺杂ABS的LTW效应进行了实验研究。图8显示了焊缝宽度和剪切力是线能量的函数。不同扫描速度和碳纳米管含量下，焊缝宽度与线能量呈线性关系。在碳纳米管含量较高时，随着线能量的增加，焊缝宽度显著增加。因此，剪切力的最大值高于低百分比碳纳米管的最大值。值得注意的是，剪切力和线能量之间的关系不是线性的，而是通过多项式拟合来表示的。此外，ABS中更高含量的碳纳米管形成了对工艺参数变化更敏感的焊缝。

▲图8 对于不同含量的碳纳米管，(a)焊接宽度、(b)剪切力 和线能量的函数

2.4 PET

由于优异的物理化学和生物特性，PET被广泛用作医疗和食品塑料。密封性是评价PET可靠性的重要指标。Wang YY等人研究了涂有红外吸收介质的PET材料的激光透射焊接效果，并测试了其水蒸气透过率。纯PET和涂层PET的透射光谱如图9所示。试验结果表明老化后焊缝状态良好，24小时渗透率低于0.02 g，表明激光透射焊接是一种良好的焊接工具，具有良好的密封性能和耐老化性能。

▲图9 纯PET和涂层PET的透射光谱

为了获得环保构件，Gisario等人采用LTW技术加工PET。如表2所示，可以通过添加不同含量的PET-PEVA来调节机械性能。聚酯的最大断裂载荷和最大杨氏模数(Young's modulus )随着PEVA增加而降低。最大伸长率呈现相反的趋势，不断增加。5主要原因在于基质中的添加剂分布不同。

表2 不同含量的PET-PEVA的机械性能

2.5 PP

PP聚丙烯已成为替代传统工程塑料的首选材料。Ghorbel等人进行了焊接聚丙烯的工艺研究。天然聚丙烯和掺炭黑的聚丙烯分别用作透光层和吸收层。由于较低的扫描速度导致更多的能量积累，焊缝尺寸随着扫描速度的降低而增大。此外，聚丙烯的分解还可能是由较高的温度导致焊缝中出现空隙引起的。聚丙烯的这种现象类似于聚苯硫醚和聚碳酸酯。

▲图10 不同扫描速度下天然聚丙烯和掺炭黑聚丙烯焊缝的形貌

兼容性差是影响高焊接质量的主要瓶颈之一。Liu HX等人提出采用接枝改性技术焊接PP和PA66。通过使用极性马来酸酐，在互扩散结构和化学反应的影响下，PP和PA66的焊接强度从0.3兆帕提高到3.5兆帕。均匀的气孔分布有利于提高材料的结合强度。

2.6 PMMA

PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在生物医学和工业领域有很大的应用前景。Devrient等人利用下图的实验研究了具有部分适应温度场的PMMA的激光透射焊接。利用测温系统测量LTW过程中的温度，对提高材料的抗拉强度具有重要意义。

▲图11 实验装置和示意图:a 可同时进行热辐射检测的LTW装置，b 吸收层塑料表面间隙的布置，c .确保激光光斑位于测量系统中心

▲图12 PMMA的监测系统和检测结果

Schmitt等人使用光学相干断层扫描（超高精度反射率测量）来观察焊缝中的缺陷。除了传统的激光加工系统外，还集成了测量系统来检测焊缝中的缺陷（图12）。基于该技术，可以在短时间内获得焊接质量的优化工艺参数。通过测量垂直于激光扫描方向的焊接界面处的激光功率通量分布，可以检查LTW条件。

Bauernhuber 等人探索了PMMA和结构钢的LTW。研究了表面处理和激光焊接工艺参数对焊接质量的影响。结果表明，样品表面喷砂不仅可以增加材料的焊接面积，还可以提高激光吸收，从而获得更高的焊接强度。由于脉冲形状对激光功率和能量的影响，调整合适的波形是提高焊接强度的有效途径。

3. LTW的建模与仿真

建模和仿真配合实验研究，可有效缩短工艺探索时间并高效获得理想的工艺参数。本节介绍了LTW常用的建模和仿真技术，并对各种方法的特点进行了分析。

3.1 有限元法

LTW过程伴随着材料温度场的变化——特别是对材料焊接强度至关重要的热降解。Bates等人采用有限元结合非线性模型拟合方法研究了含炭黑的PC和PA6在激光透射焊接过程中的热降解。如图13a和b所示，无论是PC还是PA6，功率都随着CB含量的增加而降低。值得注意的是，由于分散性差，当炭黑含量较低时，实验结果和预测结果之间的差异更加显著。同样，随着炭黑含量的增加，PC和PA6的焊接强度下降开始时的功率逐渐降低(见图13c和d)。由于没有考虑LTW过程中材料分子量的降低，理论计算值比实验结果高约25%。除了工艺参数和材料成分，温度场还受到激光束分布的影响。

▲图13 理论和实验结果的比较:(a)PC和(b)PA6表面导致降解的功率和CB含量的函数，以及(c)PC和(d)PA6中焊接强度开始下降时的功率与CB含量的函数

Mayboudi等人开发了一个二维有限元模型来研究尼龙6的LTW并利用热成像和理论计算研究了PA6随材料深度的温度分布。结果表明，模型计算的温度与实验数据较匹配。此外，利用有限体积法(FVM)验证了有限元预测数据的合理性。

▲图14 (a) 三维热模型以及随(14b)激光吸收部分和(14c)透射部分深度变化热成像和建模之间的比较。

Geiger等人用有限元法研究了PP吸收系数对温度场和熔池几何形状的影响，并得出结论——熔池的几何形状几乎不受吸收系数随温度场变化的影响。Labeas等人提出了预测PPS的激光透射焊接温度和应力分布的热机械模型。该模型结合多物理场，可系统研究各种工艺参数对实时焊接的影响。Becker等人和Zoubeir等人也证明了残余应力场与材料焊接质量直接相关，与温度场一样至关重要。焊接界面之间的传热状态对焊接质量有很大影响。Liu HX等人发展了热接触模型，研究了界面接触状态对PA66的影响（图15），发现不透明PA66的热影响区比透明PA66大，因为能量主要被不透明部分吸收。由于PA66的热性能不同，热接触阻力导致透明和不透明PA66的热影响区不同。

Chen Z等人提出了一个旋转体和平面热源的混合模型来研究PP and ABS的激光透射焊接。如图14a和b所示，沿xy的温度场分布的计算是相似的。YZ平面的温度场模拟也很接近。虽然图14c和d中PP的熔池比ABS宽，但对应位置的温度却相反。混合模型中PP的温度较高。然而，在平面模型中，ABS的温度较高。这主要是由于模型中激光能量吸收和材料热传导的差异造成的。实验证明，该混合模型具有较高的精度，能更好地反映真实情况。

▲图15 旋转体和平面模型沿不同平面的温度分布: (a)xy平面，混合热源模型；(b )xy平面，高斯平面热源；（c)yz平面，混合热源模型；(d)yz平面，高斯平面热源

3.2 响应面法

由于LTW涉及多个变量，利用响应面法可有效研究多变量的相互关系，降低成本、提升效率。在使用响应面法的过程中，通常需要将待研究的变量与数学公式联系起来，然后结合方差分析方法来评估每个变量对焊接质量的重要性。Acherjee等人使用响应面法预测丙烯酸LTW的焊接强度和焊缝宽度。使用方差分析发现搭接剪切强度受焊接速度的影响非常明显，且该强度和偏离距离对焊缝宽度也有很大影响。同样的方法也适用于PMMA对ABS的LTW效应。

Wang X等人通过在PMMA和PET之间引入PC薄膜来提高焊接强度。图16显示了各参数和焊接强度的相互影响。在较低的激光功率和较慢的焊接速度下，焊接强度增加(见图15a和b)。一般来说，更高的激光功率和更高的焊接速度意味着更高的能量输入，但它也容易对材料造成热损伤。

▲图16 工艺参数和焊接强度的相互影响:(a)激光功率和焊接速度的响应面分析和(b)等高线图，(c)激光功率和夹紧力，(d)等高线图

结果表明，激光功率对焊接强度影响较大。夹紧压力是影响焊接强度的另一个因素。夹紧力对焊接强度的影响随激光功率而变化(见图16c和d)，这主要是由焊接过程中焊接材料之间的接触状态和分子迁移造成的。因此，选择适度的夹紧力有利于提高焊接强度。

3.3 人工神经网络

人工神经网络是一种极其强大的研究工具，可以通过学习和预测来预测实验结果。Acherjee等人提出了图17的神经网络模型，用于预测丙烯酸树脂LTW中的搭接剪切强度和焊缝宽度。结果发现人工神经网络预测的结果与实验数据相似。研究还证明人工神经网络的精度高于多元回归分析。

▲图17 预测搭接剪切强度和焊缝宽度的人工神经网络模型

然而，人工神经网络有存在局限性，由于其需要基于现有的过程数据库，在使用该模型之前，通常需要通过实验获得焊接质量的表征数据。Nakhaei等人通过人工神经网络研究了丙烯酸的LTW。如图18所示，对应于不同的输入变量，实验和预测结果非常一致。因此，模型预测的结果是可信的。

▲图18 搭接剪切强度试验和预测结果的比较

3.4 混合方法

由于每种建模和仿真方法都有其局限性，为了更深入地了解LTW，将各种方法结合起来或更有价值。Acherjee等人将有限元和响应面法相结合，对PC的激光透射焊接进行了研究。基本分为三步走：对焊接过程中的温度场和焊缝尺寸进行有限元模拟。通过实验验证了模型的合理性→利用响应面法研究各种工艺参数对焊接质量的影响→优化工艺参数，获得理想的焊接质量。

结果表明，激光功率、焊接时间和光束宽度对焊接区和界面温度最大值的影响依次减弱。然而，影响透光材料和吸收材料穿透深度的因素从焊接时间、激光功率到光束宽度逐渐减弱。该方法可用于含炭黑的聚碳酸酯的LTW研究。Wang X等人提出将有限元、响应面法和遗传算法（遗传算法用于获得响应面法后的最佳参数，有利于获得更好的工艺参数，节省实验时间和加工成本）相结合来研究PET和钛。虽然该方法包含的遗传算法在进行参数选择的最终验证中具有更好的指导作用，但与直接使用有限元和响应面法的研究工作相比，由于建模步骤更多，计算时间也有所增加。

4. 总结和展望

事实证明，LTW是一种很有前途的热塑性塑料连接技术，在多个领域都有着广泛的应用。该技术连接的材料分为透光层和吸收层。激光穿过透光层并作用于接合表面，导致接合材料之间的热相互作用。

本文根据不同热塑性塑料综述了LTW工艺的研究内容和研究方法。时至今日，研究主要集中在激光功率、扫描速度和其他工艺参数对焊接强度和材料微观结构的影响。研究发现：

✳ 纤维增强和炭黑对热塑性塑料的焊接性能有显著影响，主要集中在激光束的第二相纤维或粒子散射引起的一系列过程上。

✳ 激光波长的选择也影响焊接质量，主要反映在材料成分对激光吸收率的差异上。

工艺参数和焊接机理的研究仍需进一步深入。理想情况下，为了获得最佳焊接效果，需要进行耗时且昂贵的纯工艺实验。建模和仿真可极大促进了LTW的发展。使用有限元法进行的焊接材料2D或3D建模，可加深对激光透射焊接中热传导引起的温度场变化的理解。RSM为研究过程参数之间的关系提供了途径，可直观显示多个工艺参数同时变化时焊接质量的变化趋势。然而，这种方法仍然需要基于现有的实验结果。如果需要通过尚未进行的实验来预测工艺参数对焊接质量的影响，那么人工神经网络方法或更为合适。

混合方法可以集各种建模和仿真方法的优势于一体。通过将多种方法按顺序纳入LTW研究，结合实验验证，可以大大缩短实验时间、更直观地反映焊接质量的最佳工艺参数、更高效地获得最佳加工质量。值得注意的是，建模和仿真只是实验的辅助手段。模型的准确性和模拟过程只能极其接近现实，但仍会存在一定差异。开发高保真模型并通过快速模拟获得结果来指导实验是未来的发展方向。

来源：Wu, J., Lu, S., Wang, HJ 等人发表在Int J Adv Manuf Technol 上的题目为 A review on laser transmission welding of thermoplastics.的文章 https://doi.org/10.1007/s00170-021-07519-z