2μm激光器改變透明塑料的焊接

到目前為止，激光塑料焊接還有一個嚴重的缺點：不能粘結透明零件。盡管激光塑料焊接已在幾十年的商業應用中得到廣泛的應用，但與其它連接方式相比，具有無顆粒接縫、精確度、高強度等顯著優點，推動了該技術的推廣。對醫療設備和消費類產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。伴隨著激光技術新的革新，從微流體和導管到水瓶和耳塞的應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 之間激光波長的差異

要理解這種新的激光技術如何有助于粘合透明的應用，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。這一新技術不再使用波長接近1微米光譜的激光，而是使用接近2微米波長的激光。

激光塑料焊接的最初發展被稱為穿透激光焊接，通常稱為1μm或“一微米”激光焊接。當焊接時間為1μm時，激光輻射量達到95%或更多，進入光學透明熱塑性塑料時，將通過塑料進行。盡管光學半透明塑料(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。

因為大多數1微米激光都經過或經過塑料的輻射，上層的光能不能轉化成熱能，產生熔體或粘合。用1μm激光建立鍵合需要吸收某一點的透射輻射來產生熱能。這一吸收在基礎組件層中實現。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現。一旦被基板吸收，光輻射就會轉變為熱，與上(傳輸)層和下(吸收)層融合。

2微米激光焊接和1微米焊接的主要區別是：較高波長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微米波長激光的轉變則明顯改變了激光與熱塑性塑料相互作用的方式。當使用1μm激光時，透明塑料中的大部分光能仍然通過2μm激光來傳遞能量，但是自然會吸收更多的能量-即使塑料在光學上是透明的。所有的區別都在于此。

通過實驗，驗證了普通透明塑料在不同波長的透射率。豎直藍色條覆蓋2μm波長或附近的傳輸速率。要注意這一區域的透射率低于1μm的波長或附近的透射率。在2μm的焊接過程中，金發帶會被充分的吸收，從而使膠接牢固，并達到良好的生產速度。

對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接合界面的體積加熱和熔化。

不同波長下普通光學透明塑料的透射率

為何選擇2μm?

迄今為止，主要的優勢應該是明顯的。2μm允許不帶任何添加劑粘結透明塑料，但重要的是要了解這一點。激光焊接技術上，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，并且引起了有關生物相容性和顏色變化的擔憂。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，減少生產線的步驟數量和復雜度。

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準穿透激光焊接非常理想的優點：

1.????? 超細焊：可以達到小于0.3mm的光斑。

2.????? 重復：+/-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，近幾年激光技術的革新，顯著提高了2微米激光的可用功率。開始時，2微米激光輸出功率僅為兩位數甚至瓦特。目前200W穩定供電，大大縮短了循環時間，提高了吞吐量。

哪種應用最適合2微米焊接?

盡管2微米激光在很多行業中都有應用，包括汽車、通用工業、薄膜和包裝等，但是2微米焊接的大多數需求來自醫療行業。常見的用途包括微流體設備，管道，袋，連接器，導管，貼身裝置，診斷盒，流體室和罐，過濾裝置等。

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

很多微流體裝置，比如左上角的那個，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備流動的液體。

消費領域也開始使用2微米激光焊接。主要用途有：水瓶、廚具、耳塞、話筒、電池外殼、感應器外殼、可穿戴設備、墨盒和助聽器。

盡管消費產品的要求不如醫療器械那么嚴格，但是產品越來越小，美學要求也越來越嚴格。另外，通常市場團隊和工程團隊在選擇塑料和產品顏色上的發言權一樣多，即使不能多說)，這樣就能提供能將所有顏色和風格都用上的塑料，同時保持所有的清晰度也變得越來越重要。激光塑料焊接優點。

何時適于使用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、可重復性、高通量)，以及兩個連接部分均清晰或光學透射，則應用的軌道為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，透過率和光學清晰度。

值得注意的是，激光透過率和光學清晰度是不同的。對于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)，則可粘結有色塑料，甚至黑色塑料。一般而言，大多數彩色無機染料都有足夠的透射率，以便與2微米激光焊接結合。

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。這個函數主要是塑料在這些波長的透射率。

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“金發區”，它的傳輸和吸收量足夠好，粘接牢固，并保持良好的生產速度。若輸送率過高，所吸收的能量不足以在大多數生產過程中快速形成粘結。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，也會造成一些問題，盡管這些問題通常可以通過適當的零件設計來解決。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，這會影響零件的設計。

半結晶聚合物的焊接難度較大，這是因為光能散射的方式，造成吸收困難。有些半晶態材料，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是，當掃描儀輸出激光波長時，掃描儀的工作范圍較小。要達到很小的光束(<1mm)，工作區域通常被限制在三到四英寸以下。能達到更大的工作范圍，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用。

為解決這一問題，焊接系統開發了掃描儀與伺服驅動XY平臺。有了專利軟件，掃描儀和XY平臺就能同步地把光束傳輸到部件，同時還能增加振鏡掃描器的靈活性和高精度XY平臺的工作范圍。通過這種方式，可以達到490mm2(19.3in2)的工作區，可以在一個循環中處理大尺寸或更多的零件。

對多用途而言，1微米還是2微米焊接比較好?

激光塑料焊接市場在過去的幾十年中已經相當成熟，并一直在快速發展，這部分歸因于材料供應商和復合商的2微米焊接和新型彩色添加劑等革新，但并非都是因為它們。那哪種工藝比較好?

老實說，取決于你。盡管醫療設備和消費類產品的明確要求引領了這些行業對激光焊接的新要求，并為以前無法達到的1μm應用開辟了新的大門，但是1μm的市場依然是應用的最大份額。

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