第1章绪论
　　塑料激光焊接技术是一种新型的无接触绿色塑料连接方式，在新能源汽车、医疗器械、通信及微电子等领域具有广阔的应用前景。因此，本章最先介绍塑料激光焊接的应用领域、发展现状及趋势；然后介绍激光焊接技术的分类；最后以激光透射焊接为例，介绍焊接原理等内容。
　　1.1塑料激光焊接技术的应用
　　塑料是一种非金属材料，具有质量轻、力学性能好、易加工等优良特性，广泛应用于航空航天、交通运输、微机电系统、包装和医疗等领域的零件设计及制造。随着低成本、减重理念在全球工业生产中的贯彻以及精益制造技术的迅猛发展，塑料部件越来越广泛地取代了传统的金属部件[1]。
　　注塑和挤压都是比较传统的塑料生产工艺，不适用于一些大尺寸、形状不规则、结构复杂的塑料件的一次成型。为了降低生产成本、缩短加工周期、实现复杂结构塑料件制造，可以将原料注塑成多个简单塑料件，然后经过连接组合成复杂塑料件，由此塑料连接技术应运而生。塑料连接的方式主要有铆接、胶接及焊接。铆接的密封性较差且强度和表面质量不易达标；胶接的工艺效率较低，污染较大；相较于这两种连接方式，焊接通过对零件接触面进行加热使塑料发生熔融，最后实现冷却凝固成型，具有强度高、寿命长、无污染、密封性好等优点，兼具优越的工业属性[2]。塑料焊接技术主要包括热板焊接法[3]、热气焊接法[4]、电磁感应焊接法[5]、电阻感应焊接法[6]、摩擦焊接法[7]、超声波焊接法[8，9]、射频焊接法及激光焊接法[10，11]。热板焊接法通过热传导、热对流和热辐射加热等方式促使塑料件表面熔融并形成焊缝，最终实现塑料件之间的连接，该方法的局限性在于焊接速度慢、焊接材料容易和热板黏结在一起。热气焊接法通过焊枪加热将压缩气体或惰性气体喷到塑料表面，使得塑料熔融并结合，该方法适用于焊接大型复杂构件，不足之处在于焊接质量过度依赖操作人员的经验。电磁感应焊接法利用金属导体在磁场作用下产生的热量促进被焊接材料的熔融，待材料熔化后填充待焊表面从而形成焊缝，该方法的缺点在于嵌入物的存在会影响焊接强度。电阻感应焊接法利用电流通过焊接件及接触处产生的电阻热作为热源对塑料件进行局部加热，同时加压进行焊接，该方法的缺点是焊接件的接头力学性能不高。摩擦焊接法利用热塑性塑料之间相互摩擦所生成的摩擦热使摩擦面受热熔融，经加压并冷却后，最终实现塑料连接，该方法的缺点是焊接过程中的溢料不容易控制。超声波焊接法是将高频振动波传递到两个需焊接的塑料表面，在加压的情况下，使两个塑料表面相互摩擦并形成分子层之间的熔合，该方法的缺点是焊接过程的参数检测难度较大。射频焊接法不需要中间介质且加热快，但使用高频会对人和周围环境造成污染。
　　激光焊接法，即塑料激光焊接技术，是一种新型的无接触绿色塑料连接方式，具有焊接速度快、热影响区小、连接强度高、焊缝变形小等优点。相比于传统的机械连接，激光焊接无须打孔，避免了对基体的破坏，同时避免了使用连接部件导致的零件增重。相比于胶接，激光焊接没有引入新物质，且无挥发物，更加安全。因此，塑料激光焊接技术在汽车零件、医疗器械、电子元件及包装容器等领域广泛应用[12]。激光透射焊接技术是让激光透过上层塑料件，被上层塑料件和下层塑料件(添加一定量的吸收剂)的接合面或者塑料件内部的塑料吸收并转化成热量，塑料在热集中区域熔化，热熔融状态下的塑料大分子在键合压力和热膨胀的作用下相互扩散和缠结，产生范德瓦耳斯力并形成强的键合。因此，塑料激光焊接技术在巨大的塑料需求市场中具有良好的应用前景。
　　1. 汽车行业
　　塑料激光焊接技术具有自动化水平高、焊缝美观、热影响区小等特点，因此适用于汽车零件的制造，如阀体、仪表盘、保险杠、涡流风扇、360°摄像头、自动门锁、电子驻车控制器、燃油喷嘴、变挡机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、前灯和尾灯等。该技术在汽车方面的应用还包括进气歧管、排气歧管以及辅助水泵的制造。图1.1为汽车零件实物图。
　　图1.1汽车零件实物图
　　2. 医疗器械
　　由于塑料激光焊接技术具有非接触、无污染和绿色环保的特点，故在医疗器械领域得到了广泛的应用，如医疗微流控芯片、血液分析仪、液体储槽、液体过滤器材、医疗软管连接头、造口术袋子、助听器、移植体和肠衣等的制造。图1.2为医疗器械实物图。
　　图1.2医疗器械实物图
　　3. 电子行业
　　塑料激光焊接技术不仅可以保障塑料件的强度，同时具有较好的导电性和密封性，不会对精密的电子元器件造成损害，因此多用于制造连接传感器和开关的部件、摄像头、鼠标、移动电话、连接器以及电子外壳等。图1.3为电子器件实物图。
　　图1.3电子器件实物图
　　1.2塑料激光焊接技术发展现状及趋势
　　1.2.1塑料激光焊接技术发展现状
　　塑料激光焊接技术最早出现在20世纪70年代，可以在某些特定领域有效弥补传统焊接方法的不足，属于精密高质量塑料焊接方法。随着材料、产品结构、夹具、激光系统以及工艺水平的发展，塑料激光焊接技术目前已经取得广泛应用。国内外关于塑料激光焊接技术的研究主要集中在以下五个方面。
　　1)焊接机理
　　对焊接机理的研究有助于探究激光光束与聚合物、激光光束与吸收剂、聚合物与吸收剂之间的相互反应过程，为实际研究和数值模拟提供相应的理论指导。焊接机理涵盖焊接中涉及的数学解析模型、光学模型、热传导模型、移动热源模型、接头成型原理等，此外还有材料光学参数(透射率、反射率、散射率、吸收率)和热物理特性参数(密度、热传导率、比热容、热扩散系数)随温度的变化规律。
　　2002年，Becker等[13]发现聚丙烯(polypropylene，PP)吸光试件表面的光束能量呈高斯分布，通过构建相应的体热源模型建立有限元仿真的基础，并借助有限元分析，证明在熔化深度的基础上，采用轮廓法描述聚丙烯激光传输焊接过程中加热的可能性。2005年，Ilie等[14]在蒙特卡罗法及米氏散射理论的基础上建立激光光束透过无定形聚合物的散射分布模型，揭示了激光能量在聚合物内部及上下层交界面的分布规律。2014年，Hohmann等[15]通过建立激光路径追踪模型预测了激光透过玻璃纤维聚合物后的能量分布，发现其与实际结果具有良好的一致性。
　　2)工艺参数及焊接质量
　　由于焊接质量与工艺参数密切相关，对工艺参数的研究可以辅助获取更佳的焊接质量。对激光透射焊接过程影响较大的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、吸收剂、离焦量、光斑直径和激光波长等。对焊接质量的评估主要侧重在焊接强度、焊缝形貌和熔池尺寸等方面。常用的探究试验方法包括单因素控制变量法、响应面法(response surface method，RSM)、人工神经网络(artificial neural network，ANN)法等。以上方法可以帮助分析焊接工艺参数对焊接质量属性的影响，对实际工业生产具有重要的指导作用。
　　近年来，国内外对焊接工艺参数的研究取得了较多成果。王霄等[16]采用极差优化法对激光透射焊接聚丙烯进行了研究，并分析了工艺参数对焊接质量的影响，研究结果表明，焊接速度对焊接强度的影响最大，激光器频率的影响次之，激光功率的影响最小。Acherjee等[17]采用响应面法分析了焊接速度、激光功率、夹紧力和光斑直径对聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)和丙烯酸酯焊接强度与焊缝宽度的影响，并建立了工艺参数与焊缝输出变量之间的数学关系，结果表明所建立的模型能够充分预测在焊接参数下的响应。张成等[18]分别采用响应面法和遗传算法-人工神经元网络(genetic algorithm-artificial neural network， GA-ANN)法两种优化方法建立数学关系模型并进行对比，发现GA-ANN法比响应面法建立的模型的预测准确性要高。Kumar等[19]采用田口优化算法开展了激光透射焊接聚丙烯试验，分析了各工艺参数与焊接质量之间的影响及信噪比，发现夹紧力对两者的影响最大。
　　3)数值模拟
　　数值模拟方法中常用的是有限元法，也称为有限单元法，它通过将求解区域划分成数量有限的单元组合，用每个单元内的近似函数来分段表示研究对象的场分布情况，使无限自由度的复杂问题转化为有限自由度的单元求解问题。在对求解区域划分单元后，对每个单元分别计算，统合起来得到最终解析结果。塑料激光焊接技术的数值模拟主要包括构建热源模型和焊接过程的数学模型，对温度场、应力场、流场等进行模拟，分析焊接工艺参数对焊接质量的影响。常用的有限元软件主要有ANSYS、ABAQUS和COMSOL等，使用软件对激光透射焊接过程进行模拟仿真，能够达到有效预测焊缝、监控焊接过程变化趋势、缩短试验次数的目的。
　　2006年，Whalen等[20]分别采用双线球热源模型和傅里叶热源模型进行数值模拟，探究聚合物薄膜的材料属性和激光分布对数值模拟结果的影响规律。2010?年，Labeas?等[21]对复合基聚合物激光透射焊接过程进行热-力耦合数值模拟，分析焊接工艺参数与熔池最大温度的关系，探究热应力、热应变和材料自身扭最变形的变化规律，优化激光透射焊接过程，这种数值模拟为温度、热应力和应变场提供了可靠估计，减少了试验工作量。2016年，Wang等[22]利用热重分析(thermogravimetry analysis，TGA)数据，采用非线性模型拟合方法得到材料的动力学三元组(频率因子、活化能和反应模型)，并对激光透射焊接聚碳酸酯(polycarbonate，PC)和尼龙66(nylon-66，PA66)的热降解行为进行数值模拟，发现模拟结果与试验结果相吻合，该模型能较好地预测聚合物的热降解行为。
　　4)吸收剂
　　由于塑料的透光性较高，在激光透射焊接过程中需要添加吸收剂提高塑料对光束能量的吸收。吸收剂材料主要包括金属类和非金属类，常见的吸收剂种类有金属材料[23]、炭黑(carbon black，CB)[24]、Clearweld[25]、玻璃纤维(fiberglass，GF)[26]等。添加吸收剂的方法有三种：注塑掺入、表面涂敷和中间层置入。
　　吸收剂种类和添加方式的研究有助于改善焊接材料的光学特性，对于提高焊接质量、拓宽激光透射焊接材料选择面和工程应用具有重要作用。
　　2002年，Sato等[10]对各种不同颜色的热塑性塑料进行了激光透射焊接试验，提出光学性能影响激光能量的吸收率，吸收剂的光学性能应当作为影响焊接强度的重要因素。2008年，Katayama等[27]开展激光焊接304不锈钢与聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate，PET)的研究，发现聚合物与金属之间的机械连接行为和化学反应都是形成牢固焊接接头的主要原因，从而证实了金属作为吸收剂的可行性。2014年，Rodríguez-Vidal等[28]在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)中掺入碳纳米(carbon nanotube，CNT)管作为吸收剂，研究了激光透射焊接工艺参数和碳纳米管浓度对焊接质量及接头成型机理的影响。
　　5)焊接装备
　　依据激光器发生光源的不同，可将激光透射焊接设备分为Nd:YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器波长为1064nm，属于近红外区波段，具有光束质量好、透射率高的特点，可实现较厚材料的稳定焊接。半导体激光器发射的激光波长在800～1000nm，特点是光斑峰值功率较低，适用于热敏感性高的塑料焊接。CO2激光器产生的激光波长能达到10.6μm，焊接时热作用区深度较深，易在焊接表面留下较明显的痕迹，因此主要应用于薄膜焊接[29]。
　　龚飞[30]分别使用Nd:YAG激光器和半导体激光器进

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 塑料激光焊接技术的应用 1
1.2 塑料激光焊接技术发展现状及趋势 3
1.2.1 塑料激光焊接技术发展现状 3
1.2.2 塑料激光焊接技术发展趋势 6
1.3 塑料激光焊接技术分类 7
1.3.1 轮廓焊接 7
1.3.2 同步焊接 8
1.3.3 准同步焊接 9
1.3.4 掩膜焊接 9
1.3.5 放射状焊接 9
1.3.6 球形焊接 10
1.3.7 衍射焊接 11
1.3.8 辐射焊接 11
1.3.9 复合光焊接 11
1.4 激光透射焊接原理及关键参数 12
1.4.1 焊接原理 12
1.4.2 关键参数 14
第2章 激光透射焊接装备及系统 15
2.1 激光的物理特性 15
2.1.1 激光产生的基本原理 15
2.1.2 激光技术的特点 15
2.1.3 激光光束的特性 16
2.2 激光器种类 16
2.2.1 Nd:YAG激光器 17
2.2.2 半导体激光器 18
2.2.3 光纤激光器 19
2.2.4 CO2激光器 20
2.3 塑料激光焊接装备及系统组成 21
2.3.1 塑料激光焊接装备发展现状 21
2.3.2 塑料激光焊接系统的组成 25
2.3.3 典型塑料激光焊接装备 28
第3章 塑料的物理性质及可焊性 32
3.1 塑料的分类 32
3.1.1 根据应用领域分类 32
3.1.2 根据受热性质分类 38
3.1.3 根据凝聚态结构分类 39
3.1.4 根据透光性分类 39
3.2 塑料的物理性能及表征 40
3.2.1 密度 40
3.2.2 光学性质 40
3.2.3 力学性能 42
3.2.4 热性能 44
3.2.5 流动能力 49
3.3 塑料与激光的相互作用 51
3.3.1 面加热 51
3.3.2 体加热 52
3.3.3 激光作用下材料的物态变化 53
3.4 塑料的可焊性分析及常用添加剂 57
3.4.1 塑料的可焊性分析 57
3.4.2 添加剂的种类 59
3.4.3 添加剂的加入方式 65
3.5 塑料与塑料焊接的应用实例 66
3.5.1 添加炭黑焊接PMMA 66
3.5.2 添加玻璃纤维和炭黑焊接PBT 68
3.5.3 添加金属颗粒焊接PC和PASF 70
3.6 塑料与其他材料焊接及应用实例 77
3.6.1 塑料与金属焊接 77
3.6.2 塑料与陶瓷/玻璃焊接 80
3.6.3 塑料与木材焊接 83
第4章 焊接工艺参数对焊接性能的影响 85
4.1 激光功率对焊接性能的影响 85
4.1.1 影响机理分析 85
4.1.2 对力学性能的影响 86
4.1.3 对焊缝宏观形貌的影响 88
4.1.4 对焊缝微观形貌的影响 90
4.1.5 对残余应力的影响 92
4.2 扫描速度对焊接性能的影响 95
4.2.1 影响机理分析 95
4.2.2 对力学性能的影响 96
4.2.3 对焊缝宏观形貌的影响 98
4.2.4 对焊缝微观形貌的影响 99
4.2.5 对残余应力的影响 101
4.3 光束整形对焊接性能的影响 102
4.3.1 影响机理分析 102
4.3.2 对力学性能的影响 103
4.3.3 对焊缝宏观形貌的影响 103
4.3.4 对焊缝微观形貌的影响 104
4.4 夹紧力对焊接性能的影响 105
4.4.1 影响机理分析 105
4.4.2 对力学性能的影响 105
4.5 选择*优工艺参数的试验 106
4.5.1 响应*面法 106
4.5.2 基于CCD的响应*面试验 108
4.5.3 基于Box-Behnken设计的响应*面试验 115
第5章 样品厚度和表面质量对焊接性能的影响 123
5.1 样品厚度对焊接性能的影响 123
5.1.1 样本厚度对激光透过率的影响 123
5.1.2 样品厚度对激光散射率的影响 124
5.1.3 样品厚度对焊接件质量的影响 125
5.2 表面粗糙度对激光吸收和传热的影响 127
5.2.1 表面粗糙度对焊接过程中热量吸收的影响 127
5.2.2 表面粗糙度对焊接过程中热量传递的影响 128
5.2.3 表面粗糙度的表征 130
5.2.4 表面粗糙度对焊接断面的影响 132
5.2.5 表面粗糙度对焊接质量的影响 133
第6章 焊接过程模拟仿真及监控技术 135
6.1 焊接过程模拟仿真概述 135
6.1.1 研究重点及解决方案 135
6.1.2 控制方程 136
6.1.3 边界条件 137
6.1.4 数值计算流程 138
6.2 焊接过程中的温度场仿真 139
6.2.1 热源模型 139
6.2.2 以铜膜为吸收剂焊接PC过程中的温度场仿真 141
6.2.3 以炭黑为吸收剂焊接PMMA过程中的温度场仿真 146
6.2.4 以金属粉末为吸收剂焊接塑料过程中的温度场仿真 154
6.2.5 考虑接触热阻的热量传递机制 165
6.2.6 PA66和5182铝合金焊接过程中的温度场仿真 169
6.3 热降解行为分析 178
6.3.1 PMMA热学性能与热稳定性 178
6.3.2 PMMA热降解动力学 184
6.3.3 工艺参数与热降解行为的函数关系 191
6.4 热流耦合分析 193
6.4.1 焊接熔池流体流动规律与基本假设 193
6.4.2 以炭黑为吸收剂的焊接流场分布 195
6.4.3 以锌粉为吸收剂的焊接流场分布 195
6.4.4 以铜膜为吸收剂的焊接流场分布 196
6.5 热力耦合分析 197
6.5.1 热弹性力学 197
6.5.2 热黏弹性本构方程 198
6.5.3 热应力变化规律 200
6.5.4 残余应力分布规律 201
6.5.5 焊接工艺参数对残余应力的影响 202
6.6 焊接过程的监控 206
6.6.1 红外热成像 206
6.6.2 高温计 207
6.6.3 光学相干层析成像 207
6.6.4 可见光成像 208
6.6.5 红外成像 209
6.6.6 光谱分析 209
参考文献 211