2?m 激光器：徹底改變透明塑料的焊接

到目前為止，激光塑料焊接還有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：不能粘結(jié)透明零件。盡管激光塑料焊接已在幾十年的商業(yè)應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用，但與其它連接方式相比，具有無顆粒接縫、精確度、高強(qiáng)度等顯著優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)了該技術(shù)的推廣。對(duì)醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類產(chǎn)品的粘合透明元件不僅要求激光焊接精度更高，而且通常需要完全透明的組件。伴隨著激光技術(shù)新的革新，從微流體和導(dǎo)管到水瓶和耳塞的應(yīng)用都得益于激光焊接。

2微米激光怎樣改變激光塑料焊接？

表 1. 1μm 和 2μm 之間激光波長(zhǎng)的差異

要理解這種新的激光技術(shù)如何有助于粘合透明的應(yīng)用，首先要理解最初的1微米激光焊接的工作原理，以及它與較新的2微米激光焊接方法有什么不同。這一新技術(shù)不再使用波長(zhǎng)接近1微米光譜的激光，而是使用接近2微米波長(zhǎng)的激光。

激光塑料焊接的最初發(fā)展被稱為穿透激光焊接，通常稱為1μm或“一微米”激光焊接。當(dāng)焊接時(shí)間為1μm時(shí)，激光輻射量達(dá)到95%或更多，進(jìn)入光學(xué)透明熱塑性塑料時(shí)，將通過塑料進(jìn)行。盡管光學(xué)半透明塑料(如PBT或含有玻璃填充物的塑料)的透射率較低，但如果有一部分激光能穿過上層，則仍可焊接。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)1微米激光都經(jīng)過或經(jīng)過塑料的輻射，上層的光能不能轉(zhuǎn)化成熱能，產(chǎn)生熔體或粘合。用1μm激光建立鍵合需要吸收某一點(diǎn)的透射輻射來產(chǎn)生熱能。這一吸收在基礎(chǔ)組件層中實(shí)現(xiàn)。基體部件必須具有吸收性能，可通過在樹脂中添加碳黑或特殊的激光吸收添加劑來實(shí)現(xiàn)。一旦被基板吸收，光輻射就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔c上(傳輸)層和下(吸收)層融合。

2微米激光焊接和1微米焊接的主要區(qū)別是：較高波長(zhǎng)的激光與不含添加劑的透明激光或天然塑料相互作用。而到2微米波長(zhǎng)激光的轉(zhuǎn)變則明顯改變了激光與熱塑性塑料相互作用的方式。當(dāng)使用1μm激光時(shí)，透明塑料中的大部分光能仍然通過2μm激光來傳遞能量，但是自然會(huì)吸收更多的能量-即使塑料在光學(xué)上是透明的。所有的區(qū)別都在于此。

通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了普通透明塑料在不同波長(zhǎng)的透射率。豎直藍(lán)色條覆蓋2μm波長(zhǎng)或附近的傳輸速率。要注意這一區(qū)域的透射率低于1μm的波長(zhǎng)或附近的透射率。在2μm的焊接過程中，金發(fā)帶會(huì)被充分的吸收，從而使膠接牢固，并達(dá)到良好的生產(chǎn)速度。

對(duì)大部分自然或透明的熱塑性塑料而言，2μm激光能傳送約70%到85%的激光能量，而剩余的15%-30%能量將不需要任何添加劑。這一吸收劑引起了整個(gè)接合界面的體積加熱和熔化。

不同波長(zhǎng)下普通光學(xué)透明塑料的透射率

為何選擇2μm？

迄今為止，主要的優(yōu)勢(shì)應(yīng)該是明顯的。2μm允許不帶任何添加劑粘結(jié)透明塑料，但重要的是要了解這一點(diǎn)。激光焊接技術(shù)上，1微米激光焊接可以焊接透明塑料，但是它需要昂貴而難于使用的吸收劑，這增加了成本，并且引起了有關(guān)生物相容性和顏色變化的擔(dān)憂。改為2微米工藝，公司可以避免額外的材料成本，保持完美的清晰度，減少生產(chǎn)線的步驟數(shù)量和復(fù)雜度。

除能在無添加物的情況下焊接透明塑料外，2μm激光焊接還有所有其它標(biāo)準(zhǔn)穿透激光焊接非常理想的優(yōu)點(diǎn)：

1.      超細(xì)焊：可以達(dá)到小于0.3mm的光斑。

2.      重復(fù)：+/-5微米。

3.      連接形式：非常適用于連接件，彎曲件，或輻射狀接頭(如管道、管道等)

4.      靈敏用途：非接觸或輕接觸處理。

另外，近幾年激光技術(shù)的革新，顯著提高了2微米激光的可用功率。開始時(shí)，2微米激光輸出功率僅為兩位數(shù)甚至瓦特。目前200W穩(wěn)定供電，大大縮短了循環(huán)時(shí)間，提高了吞吐量。

哪種應(yīng)用最適合2微米焊接？

盡管2微米激光在很多行業(yè)中都有應(yīng)用，包括汽車、通用工業(yè)、薄膜和包裝等，但是2微米焊接的大多數(shù)需求來自醫(yī)療行業(yè)。常見的用途包括微流體設(shè)備，管道，袋，連接器，導(dǎo)管，貼身裝置，診斷盒，流體室和罐，過濾裝置等。

微流體通道的偏光顯微鏡視圖（COC：上層厚度為 0.38 毫米，焊縫寬度為 0.2 毫米）

微流場(chǎng)、診斷盒和檢測(cè)通常都需要具有可見光或紫外光譜透射的元件來進(jìn)行分析。所以，需要避免使用吸收劑或色素，這通常會(huì)導(dǎo)致1微米焊接不合格。

很多微流體裝置，比如左上角的那個(gè)，由于其低熒光而使用了COC，從而改善了高光譜成像和分析。

其它應(yīng)用，包括袋子、管道和連接器(左下角和52頁)，通常需要透明，這樣終端用戶才能看到液體或通過這些設(shè)備流動(dòng)的液體。

消費(fèi)領(lǐng)域也開始使用2微米激光焊接。主要用途有：水瓶、廚具、耳塞、話筒、電池外殼、感應(yīng)器外殼、可穿戴設(shè)備、墨盒和助聽器。

盡管消費(fèi)產(chǎn)品的要求不如醫(yī)療器械那么嚴(yán)格，但是產(chǎn)品越來越小，美學(xué)要求也越來越嚴(yán)格。另外，通常市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)和工程團(tuán)隊(duì)在選擇塑料和產(chǎn)品顏色上的發(fā)言權(quán)一樣多，即使不能多說)，這樣就能提供能將所有顏色和風(fēng)格都用上的塑料，同時(shí)保持所有的清晰度也變得越來越重要。激光塑料焊接優(yōu)點(diǎn)。

何時(shí)適于使用2微米激光焊接？

影響這一決定的因素很多，但主要的原因是，如果應(yīng)用要求激光焊接所帶來的所有好處(清潔接頭、精確度、可重復(fù)性、高通量)，以及兩個(gè)連接部分均清晰或光學(xué)透射，則應(yīng)用的軌道為2μm激光焊接。

為了尋找清晰的激光焊接，還需要注意一些其他事情，透過率和光學(xué)清晰度。

值得注意的是，激光透過率和光學(xué)清晰度是不同的。對(duì)于2μm的焊接來說，需要的是在~2000nm的光譜中傳輸紅外線而非可見光譜。這就是說，零件不必是光學(xué)透明的；但是，這通常是需要的顏色格式。

如材料不含吸附性化合物(如炭黑)，則可粘結(jié)有色塑料，甚至黑色塑料。一般而言，大多數(shù)彩色無機(jī)染料都有足夠的透射率，以便與2微米激光焊接結(jié)合。

選用正確的塑料：

大部分天然熱塑性塑料具有一定的合適的透射率，并且適合2微米激光焊接。但是有些塑料焊接比較困難或者是不可能的。這個(gè)函數(shù)主要是塑料在這些波長(zhǎng)的透射率。

還記得，2微米的焊接需要依靠少量的激光能被塑料吸收，一般吸收15%-30%的能量是理想的。我們需要的是一個(gè)“金發(fā)區(qū)”，它的傳輸和吸收量足夠好，粘接牢固，并保持良好的生產(chǎn)速度。若輸送率過高，所吸收的能量不足以在大多數(shù)生產(chǎn)過程中快速形成粘結(jié)。另外，如果傳輸率過低，則很難焊穿較厚的零件，并在接合處獲得足夠的能量。

大部分無定型塑料和/或透明塑料，如ABS,COC,COP,PET,PP,PMMA,PS,PC，均可用于制造。甚至PC，由于其2,000納米的高傳輸率，也會(huì)造成一些問題，盡管這些問題通常可以通過適當(dāng)?shù)牧慵O(shè)計(jì)來解決。還可以使用不太透明的塑料(如PA、TPU/TPE和PE)，但是透光率較低，這會(huì)影響零件的設(shè)計(jì)。

半結(jié)晶聚合物的焊接難度較大，這是因?yàn)楣饽苌⑸涞姆绞剑斐晌绽щy。有些半晶態(tài)材料，如PP，可以焊接2μm，但是PBT、PEEK、LCP等材料極難焊接，甚至無法進(jìn)行焊接。

部件尺寸。

大部分激光焊接都依靠電流掃描儀來控制激光的軌跡。這樣可以使焊接模式和零件的形狀靈活。2微米工藝的一大缺點(diǎn)是，當(dāng)掃描儀輸出激光波長(zhǎng)時(shí)，掃描儀的工作范圍較小。要達(dá)到很小的光束(<1mm)，工作區(qū)域通常被限制在三到四英寸以下。能達(dá)到更大的工作范圍，但犧牲光束的大小和精度，通常不適合用于較大的微流體箱或應(yīng)用。

為解決這一問題，焊接系統(tǒng)開發(fā)了掃描儀與伺服驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)。有了專利軟件，掃描儀和XY平臺(tái)就能同步地把光束傳輸?shù)讲考瑫r(shí)還能增加振鏡掃描器的靈活性和高精度XY平臺(tái)的工作范圍。通過這種方式，可以達(dá)到490mm2(19.3in2)的工作區(qū)，可以在一個(gè)循環(huán)中處理大尺寸或更多的零件。

對(duì)多用途而言，1微米還是2微米焊接比較好？

激光塑料焊接市場(chǎng)在過去的幾十年中已經(jīng)相當(dāng)成熟，并一直在快速發(fā)展，這部分歸因于材料供應(yīng)商和復(fù)合商的2微米焊接和新型彩色添加劑等革新，但并非都是因?yàn)樗鼈儭Ｄ悄姆N工藝比較好？

老實(shí)說，取決于你。盡管醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類產(chǎn)品的明確要求引領(lǐng)了這些行業(yè)對(duì)激光焊接的新要求，并為以前無法達(dá)到的1μm應(yīng)用開辟了新的大門，但是1μm的市場(chǎng)依然是應(yīng)用的最大份額。

每種應(yīng)用程序都不一樣，有自己獨(dú)特的需求集合，光清晰就是其中之一。真正的好處在于，激光結(jié)合應(yīng)用中的透射塑料的局限性正在迅速減少。