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近十年來，激光塑料焊接已經(jīng)廣泛應用于汽車、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雜性，因此是被嚴格禁止的。另外，3C行業(yè)耳機常用的淺色塑料（純白、乳白或者銀色）對430nm-1100nm波段具有較強的反射作用，使得該波段激光無法穿透上層塑料到達焊接面，因此成為塑料焊接的難點。

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，塑料材料對遠紅外激光高吸收的特性，導致了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）以及相應的半導體泵浦源（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大于焦點的光斑，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，而激光的焦點就在焊縫處，由于焦點有足夠的能量密度， 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波長焊接的強度高于808nm焊接工件的強度， 雖然超過3W后808nm焊件強度高于2μm焊件，但808nm工件會冒煙，工件燒灼損壞嚴重（見圖7）。

由深圳泰德激光科技有限公司和深圳技術(shù)大學聯(lián)合自主研發(fā)的五軸聯(lián)動2.0μm透明塑料焊接設備(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特的機會。 采用2μm激光焊接技術(shù)，可以實現(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。