近十年來，激光塑料焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、微電子、以及食品包裝等各個領(lǐng)域，較常用的光源包括CO2激光光源（10.6μm）、808nm或者970nm半導(dǎo)體光源、以及近紅外1064nm等光源。 塑料焊接的基本原理屬于熱熔焊范疇，即塑料吸收激光注入的部分能量，將其轉(zhuǎn)化成熱能而達(dá)到焊接的目的， 因此某種塑料對于不同波長的吸收率，材料的厚度，以及塑料的顏色和表面紋理等對焊接效果起到至關(guān)重要的作用， 不同塑料材料在不同波長下的透過率見圖1所示。
激光塑料焊接的原理
塑料焊接根據(jù)其對激光波長的吸收率大致可分為激光透射焊接和激光直接焊接。 最常見的激光焊接形式是采用波長在750nm-1100nm的激光透射焊接，在這種方法中，被焊接的塑料材料對該波段的透射率較高，光束透過上面的塑料將能量輸送到下面塑料的上表面后發(fā)生加熱和熔化，要達(dá)到這一目的，需要在上下塑料之間添加助焊劑或者在下層塑料中預(yù)先添加激光吸收添加劑(IR absorber， 比如碳黑、黑漆、金屬氧化物、特殊吸收劑Clear Weld等) 以提高接觸面的吸收率, (見圖2， a)。如果塑料中沒有填料或顏料，激光將穿透幾毫米的半晶塑料（比如PE、PP、 PA、PEEK等)，或完全穿透透明非晶塑料（比如PC、PMMA、PS等）而無法形成焊接。因此在這一范圍內(nèi)的可焊性以及焊接質(zhì)量很大程度取決于塑料中是否存在添加劑和顏色，以及塑料是晶態(tài)（半晶還是非晶）。然而對于醫(yī)藥、食品包裝等要求高的行業(yè)，添加吸收劑的焊接方法不僅易造成吸收劑污染，而且也增加了零件組裝的復(fù)雜性，因此是被嚴(yán)格禁止的。另外，3C行業(yè)耳機(jī)常用的淺色塑料（純白、乳白或者銀色）對430nm-1100nm波段具有較強(qiáng)的反射作用，使得該波段激光無法穿透上層塑料到達(dá)焊接面，因此成為塑料焊接的難點(diǎn)。
另外一種常見的塑料焊接的方法是激光直接焊接，在這種焊接過程中，塑料對于激光波長有很高的吸收率，光束透過上面的塑料時，上面的塑料材料吸收部分激光能量，除了散射能量外，剩余能量傳到下面塑料，在結(jié)合面形成熔化焊接。由于塑料對波長有很高的吸收率，因此，激光能量隨著激光入射深度的增加而且迅速衰減，因此該種方法只適合焊接較薄的材料（見圖2，c）。典型的激光直接焊接所采用的波長為10.6μm的CO2激光器，大多是塑料對CO2激光的波長具有很高的吸收率（90%），因此CO2光一般只適用焊接薄膜、塑料薄板和織物等熱塑性塑料。而且，塑料材料對遠(yuǎn)紅外激光高吸收的特性，導(dǎo)致了CO2激光易燒蝕和破壞塑料表層，從而影響塑料產(chǎn)品的外觀及質(zhì)量。另外，由于CO2激光的波長為10.6μm, 因此對于焊接寬度小于60μm的精密塑料焊接應(yīng)用，難度很大。
2.0μm波長激光塑料焊接的優(yōu)勢
近年來，紅外1μm光纖激光器技術(shù)的成熟和應(yīng)用的普及， 現(xiàn)有的1μm光纖激光器的結(jié)構(gòu)以及器件技術(shù)，在工業(yè)級2μm激光器的研制中完全可以借鑒。除了采用摻銩的增益光纖（Tm doped fiber）以及相應(yīng)的半導(dǎo)體泵浦源（793nm）外，整體結(jié)構(gòu)同1μm的連續(xù)和脈沖光纖激光器沒有差別 （見圖3）。2μm光纖激光器的總體性能幾乎可以和1μm光纖激光器一樣穩(wěn)定，特別是在緊湊性、效率、穩(wěn)定性和日常操作的方便性方面，因此它們的生產(chǎn)能夠滿足任何更大規(guī)模的潛在應(yīng)用。
隨著2μm的各種摻銩光纖激光器的研制和產(chǎn)業(yè)化步伐的不斷加快，為塑料焊接特別是透明塑料焊接帶來全新的解決方案，從圖1可以看出，大多數(shù)塑料材料對波長1900nm-2100nm的吸收率介于紅外（750nm-1100nm）和CO2 (10.6μm)之間，對于PMMA、PP、PC等材料吸收率在25%-40%之間，對于PA6可高達(dá)70%，因此2.0μm波長的激光對于塑料材料來說，較好地兼顧了激光能量吸收和能量透射的平衡，通過對光束質(zhì)量的選擇，以及對焦深的調(diào)整，使得落在工件上表面的光束直徑要遠(yuǎn)大于焦點(diǎn)的光斑，在激光通過上層工件時，由于光束直徑較大，因此其能量密度不足以熔化上層工件，而激光的焦點(diǎn)就在焊縫處，由于焦點(diǎn)有足夠的能量密度， 再加上工件的結(jié)合接觸面形成折射率的陡降，容易產(chǎn)生能量聚集效果，熔化塑料完成焊接 （見圖2， b）。
相關(guān)實(shí)驗顯示，透明聚合物PC材料在 2.0μm 波段的吸收明顯大于可見光及近紅外波段， 在50W的808nm激光功率下，透明PET材料仍然無法實(shí)現(xiàn)焊接，采用添加炭黑吸收劑后才能焊接上， 但是在2W的2.0μm激光作用下，可實(shí)現(xiàn)PET材料的焊接（見圖4）。 除了焊縫干凈、無污染外，相關(guān)拉伸試驗表明，2.0μm激光焊接的拉伸應(yīng)力要明顯大于添加炭黑吸收劑的808nm激光焊接樣品（見圖5）。 證明了2.0μm激光焊接的優(yōu)越性。
白色塑料激光焊接對比試驗也顯示，采用2μm波長焊縫美觀良好，而采用808nm波長焊接的連接處有明顯的燒灼痕跡（見圖6）， 拉伸試驗也顯示采用2μm波長焊接的強(qiáng)度高于808nm焊接工件的強(qiáng)度， 雖然超過3W后808nm焊件強(qiáng)度高于2μm焊件，但808nm工件會冒煙，工件燒灼損壞嚴(yán)重（見圖7）。
由深圳泰德激光科技有限公司和深圳技術(shù)大學(xué)聯(lián)合自主研發(fā)的五軸聯(lián)動2.0μm透明塑料焊接設(shè)備(見圖8)為醫(yī)療和精密3C塑料焊接帶來全新的工業(yè)解決方案，極大降低簡化了醫(yī)療用塑料包裝以及微流控液體微通道的精密激光焊接（見圖9、圖10）。
結(jié)論
許多塑料材料在2μm波長附近的光吸收，為該光譜區(qū)域的激光加工提供了多種靈活的解決方案，為替代許多傳統(tǒng)的塑料焊接提供了獨(dú)特的機(jī)會。 采用2μm激光焊接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率，無污染的透明、非透明塑料或彈性體材料的焊接。通過優(yōu)化2μm激光加工參數(shù)以及配合五軸聯(lián)動焊接平臺，可以實(shí)現(xiàn)多種醫(yī)藥行業(yè)、3C行業(yè)和微電子領(lǐng)域的2D、3D 精密塑料的焊接。隨著越來越多的高功率和可靠耐用的2μm光纖激光器及其集成系統(tǒng)投入市場，越來越多的行業(yè)會受益于2μm光譜窗口所提供的無污染、高效的精密焊接，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級換代和效率提升。
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