不同的熱塑性材料（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

工業(yè)聚合物通常分為兩種主要類型：熱塑性材料和熱固性材料。熱塑性材料的用途更為廣泛，而且它們無需經(jīng)過明顯的永久性化學(xué)變化就可以被加熱或冷卻，這意味著它們可以被注塑并可以通過簡單的加熱技術(shù)連接在一起。許多注塑部件用于含有添加劑或者短切玻璃增強(qiáng)纖維的發(fā)動(dòng)機(jī)罩下汽車應(yīng)用，但注塑限制了增強(qiáng)材料的用量進(jìn)而限制了強(qiáng)度。

傳統(tǒng)的激光透射焊接應(yīng)用于這些短纖維增強(qiáng)材料時(shí)，相對與諸如因高頻超聲振動(dòng)，可能使增強(qiáng)纖維損壞的超聲焊接等工藝而言具有一定的優(yōu)勢，具體可參考《使用光纖激光器進(jìn)行聚合物透射焊接》。 

使用IPG光纖激光器焊接的塑料元件

眾所周知的增強(qiáng)型長纖維熱固性復(fù)合材料已經(jīng)使用了很多年。由于高分子化學(xué)的進(jìn)步，長纖維增強(qiáng)型熱塑性聚合物復(fù)合材料如今也被航空航天業(yè)和其他行業(yè)用于半結(jié)構(gòu)性應(yīng)用。其中使用最多的基質(zhì)材料為聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫（PPS）和聚醚酰亞胺（PEI）。這些高級工程塑料都很難加工和連接。

玻璃和碳纖維是用于增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的兩種主要的連續(xù)纖維。由于激光透射焊接工藝需要穿透頂層材料將熱量傳輸?shù)浇佑|面產(chǎn)生熔化、浸潤和連接，頂層的玻璃纖維增強(qiáng)和下面的吸收層碳纖維成為了更好的選擇。在激光透射焊接工藝使用的是波長為1070 nm的標(biāo)準(zhǔn)的近紅外光纖激光器。

 
圖1 焊接實(shí)驗(yàn)工裝

圖2 表皮焊接在加強(qiáng)板上，3道焊縫

焊接實(shí)驗(yàn)證明了該工藝的可行性。圖1展示的是該實(shí)驗(yàn)使用的工裝和光路傳輸系統(tǒng)，圖2展示的是典型的用5 mm光纖激光束焊接的3道焊縫，圖3表示的是無氣孔焊縫的橫截面，圖4表示的是在不同的復(fù)合材料組合的情況下，成功地將不同的玻璃增強(qiáng)材料與AS4 CF增強(qiáng)基材焊接的機(jī)械強(qiáng)度測試結(jié)果。

圖3 玻璃纖維和玻璃纖維復(fù)合物焊接的無氣孔焊縫區(qū)域

圖4 焊縫平拉與剪切強(qiáng)度

總結(jié)

焊接實(shí)驗(yàn)說明了高質(zhì)量、高強(qiáng)度的激光焊接應(yīng)用于包括玻璃和碳纖維增強(qiáng)體在內(nèi)的許多熱塑性復(fù)合材料的可行性。