激光焊接在材料加工領域占據(jù)重要的地位，傳統(tǒng)的激光焊接主要在金屬材料之間進行，然而隨著的技術的發(fā)展進步，異種 材料之間的激光焊接也成為重要的突破方向，本文主要研究金屬與塑料的激光焊接技術。 

塑料實際上是一種聚合物，激光直接連接金屬和聚合物的原理主要是通過激光照射金屬產(chǎn)生高溫并通過熱傳導到達聚合物，在聚合物臨近連接界面處產(chǎn)生熔化區(qū)域，并在其內(nèi)部激發(fā)微小氣泡，氣泡的產(chǎn)生或快速膨脹產(chǎn)生高的內(nèi)壓使得熔化的聚 合物與金屬的表面緊密的貼在一起，同時推動熔融的聚合物流入金屬，因其表面粗糙，結果在金屬與聚合物之間產(chǎn)生物理連接 （范德華力）、機械連接（稱為錨固效應）或化學連接。以下分別 從不同角度介紹焊接中幾個重點技術。 

1  焊接材料 

2007 年，大阪大學的片山圣二（S. Katayama）等人首先對以 SUS304 不銹鋼和非結晶 PA6（聚酰胺 6）為材料，采用 YAG 激光 器驗證了金屬與塑料的激光直連可行性，并第一次提出 LAMP （激光輔助的金屬與塑料焊接技術）[1]，目前已經(jīng)證明了多種金 屬與塑料的焊接是可行的。例如 SUS304 不銹鋼和 PET（聚對苯 二甲酸乙二醇酯），這二者之間可以產(chǎn)生金屬 -Cr-O- 聚合物之間 的化學連接，再如鍍鋅鋼片與 PAN（聚丙烯腈型）\CFRP（碳纖 維增強塑料），可以產(chǎn)生合金與塑料之間的接合。國內(nèi)的江蘇大學也較早開始了金屬與塑料的焊接研究，Xiao Wang等 [2]采用了 鈦與 PET 進行焊接，分析發(fā)現(xiàn)形成了 Ti-C 化學鍵，在研究中采 用了較低的焊接功率，并增加了夾緊力。 

不同材料之間的連接效果也不盡相同，就聚合物材料而 言，由于不同聚合材料在接受熱量后形成的氣泡體積、數(shù)量、大 小都有所區(qū)別，直接影響了焊接面積和焊接強度，例如 Yukio MIYASHITA等人發(fā)現(xiàn) PET和 PC與 SUS不銹鋼的可焊接范圍有 所不同[3]，就金屬而言，不同的金屬對激光的吸收度以及熱傳導 率不一樣，這直接導致了焊接面積大小的不同，并且還影響了金 屬焊接的失效加載力，長岡大學的團隊就使用了三種不同的金 屬，即銅、SUS304不銹鋼和 A5052合金在同等條件下與 PET進行 激光焊接，實驗發(fā)現(xiàn)，同等條件下 PET/SUS304焊接強度最大[4]。

2  激光器 

在金屬與塑料的焊接中，激光器的選擇尤為重要，不同激光 器產(chǎn)生的方式、光束和使用的功率范圍都不相同，目前采用以下 幾種激光器 ： 

2.1 Nd:YAG 激光器 

即釔鋁石榴石晶體，釔鋁石榴石晶體為其激活物質(zhì)，屬固體 激光，可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光，發(fā)射之激光為紅外線波長 1.064μm，產(chǎn)生的光為單色光。 

2.2 半導體激光器 

半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作 物質(zhì)的激光器。常用工作物質(zhì)有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、 磷化銦 (InP)、硫化鋅 (ZnS) 等。激勵方式有電注入、電子束激勵 和光泵浦三種形式。即半導體激光器可實現(xiàn)脈沖和連續(xù)兩種工 作模式。 

YAG激光器具有錐形光束而半導體激光器可以產(chǎn)生線性光 束，從塑料一側開始照射，均可以實現(xiàn)金屬與塑料的焊接，調(diào)節(jié)YAG 激光器的焦距可以改變接合的力度，半導體激光器可以大 大提高接合強度，高功率連續(xù)激光束可以產(chǎn)生更深的滲透，江蘇 大學采用近紅外二極管激光器對鈦和 PET 進行焊接，獲得了直 徑為 900μm的焊接區(qū)域 [4]。 

2.3 飛秒激光器 

飛秒激光器是一種超短脈沖激光器，目前，在金屬焊接領域 的使用并不廣泛。Tomokazu Sano等人在 2013年采用飛秒激光 器也實現(xiàn)了金屬與塑料的焊接，研究還發(fā)現(xiàn)脈沖間的距離和線 之間的距離對焊接強度有較大影響 [5]。

3  焊接工藝優(yōu)化 

在焊接的過程中，很多工藝因素會對焊接強度產(chǎn)生影響。激 光焊接主要依賴的是熱量的輸入，因此熱量對提高焊接強度其 主導作用。主要表現(xiàn)為 ：a、焊接時隨著功率的增加，拉力會出 現(xiàn)升高的峰，隨后在某一點下降，同樣的焊接的速度也有類似的 影響 ；b、接合部的比例增加，接合強度也相應增加。上述研究 也證明了，盡管熱量的輸入占據(jù)主導因素，但是并不是輸入熱量 越大焊接效果就越好，焊接強度曲線存在一個飽和位點。 

此外，激光照射的方式也具有影響，目前廣泛采取的是激光 從塑料側面照射的方式，這能夠使得激光束直接照射到組裝部 位，瞬間產(chǎn)生很高的熱量，改善連接的強度。 

另外，還存在其它影響焊接的因素。2011 年，片山圣二等人 研究發(fā)現(xiàn) ：a、激光引起的羽化現(xiàn)象。激光照射金屬時會產(chǎn)生羽 化現(xiàn)象，其中高羽會造成淺焊 ；b、激光吸收。當光束越小、能 量越高或者焊接速度越低時，光吸收就會越高，當激光射入時會 出現(xiàn)一種“鑰匙孔”結構，根據(jù)不同的焊接速率，鑰匙孔與熔化 池會有不同的大小，這種大小影響了光的吸收，從而影響焊接效 果 [6]。Yukio Miyashita 等研究發(fā)現(xiàn)，氣泡的狀態(tài)會因施加的力的 大小和頻率而改變，施加適度的靜態(tài)力可以抑制氣泡的擴張，有 利于焊接強度的提升 ；施加周期的接觸力則會使氣泡快速流動， 使得氣泡密度降低，其焊接強度相對于靜態(tài)壓力較小 [7]，因此， 施加不同作用力對于提高焊接強度又提出一種新的手段。 

江蘇大學首次通過數(shù)學模型對影響焊接強度的因素進行了 分析，包括激光功率、焊接速度、距離等，將接合強度與激光功 率成正比到達某點后成反比的線性關系、焊接速度與接合強度 成反比的關系等定性結論通過定量分析得以驗證 [8]。

4  表面預處理 

大量實驗證明，在金屬與塑料焊接時，塑料會受熱分解或融化，如果金屬表面是粗糙的，或者有一定的微結構，則這部分流 動的塑料會進入金屬的這些粗糙部位，待迅速冷卻后，塑料便會 停留在這些微結構中，產(chǎn)生錨化作用，因此，很多研究者開始針 對金屬表面進行處理，希望得到理想的表面微結構，增加焊接的 強度，這些處理包括物理、化學等手段。由于金屬表面一般都存 在氧化層，其對金屬與塑料的連接可能會造成影響，Wahba M[9] 等人采取了焊接前的預處理措施，首先對金屬樣品 AZ91D 進行 摩擦去除表面氧化層，再使用丙酮清洗，然后采用激光對金屬樣 品進行表面處理，通過這樣的預處理增強了結合強度，此外，研 究者們還開發(fā)了對聚合材料使用紫外 -臭氧 [10] 等方法，不同的 預處理方式造成的孔洞不同，更深的孔洞當然能夠更深的錨化。 

5  結語 

針對金屬與塑料的激光焊接已經(jīng)開展了廣泛的嘗試，今后 可以重點關注應用于航空、生物等領域的重點材料 ；激光器的 選擇以及焊接工藝的優(yōu)化還有很大的嘗試空間，可以加入集成 式系統(tǒng)的技術以便形成工業(yè)化的量產(chǎn)系統(tǒng) ；表面的處理除了傳 統(tǒng)的化學和物理方法之外，通過分子層面的材料表面修飾等也 能夠給出很好的思路。金屬與塑料的激光焊接技術的進一步發(fā) 展必定能夠在新興制造領域帶來驚喜的效果。（本文作者田文文，來自國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作四川中心）