透明塑料的激光焊接

透明塑料的激光焊接是一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)，可使透明部件在不添加吸收劑的情況下獲得干凈的焊縫。它為醫(yī)療技術(shù)開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，而透明材料對(duì)醫(yī)療技術(shù)至關(guān)重要。

作者：Claas Steffen，瑞士海目星技術(shù)股份公司研發(fā)工程經(jīng)理；Anja Wieder，瑞士海目星集團(tuán)企業(yè)傳播經(jīng)理

多年來(lái)，激光焊接塑料一直是一種成熟的連接技術(shù)，其重要性與日俱增。該工藝在各行各業(yè)的新應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到開(kāi)發(fā)。有一種新方法特別具有前瞻性：為特殊應(yīng)用焊接透明塑料。采用這種工藝進(jìn)行激光焊接時(shí)，無(wú)需添加傳統(tǒng)激光焊接工藝所需的顏料或吸收劑。在醫(yī)療技術(shù)或食品工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域，光學(xué)分析過(guò)程和生產(chǎn)中可靠檢測(cè)雜質(zhì)都要求所用部件具有透明度。

久經(jīng)考驗(yàn)的激光焊接方法

在傳統(tǒng)的塑料激光焊接過(guò)程中，對(duì)激光束透明的部件與吸收激光束的部件相接合。波長(zhǎng)在近紅外范圍內(nèi)的激光輻射可穿透透明的結(jié)合部件，并與吸收部件相遇，在吸收部件中，激光能量被轉(zhuǎn)化為熱量。接合雙方通過(guò)熱傳導(dǎo)熔化并粘合在一起。待連接的部件冷卻后，焊縫就形成了。這種焊接工藝的前提條件是激光能量在接觸面附近被吸收

波長(zhǎng)是決定性的

透明塑料自然允許通常用于激光塑料焊接的激光輻射通過(guò)。由于激光輻射無(wú)法轉(zhuǎn)化為焊接過(guò)程所需的熱量，這給焊接透明連接件帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了能夠焊接兩個(gè)透明塑料部件，需要對(duì)激光焊接工藝進(jìn)行調(diào)整：使用合適的激光波長(zhǎng)。

許多光學(xué)透明塑料在波長(zhǎng)為 900 至 1100 納米時(shí)具有很高的透明度，但在波長(zhǎng)為 2000 納米（2 微米）左右時(shí)，它們吸收激光輻射的比例要大得多。這意味著透明塑料可以在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行焊接。這些光學(xué)鏡頭（如 SPOT 或 GLOBO 光學(xué)鏡頭）的光學(xué)器件必須與新波長(zhǎng)相匹配。

但是，哪種激光器適合這些塑料焊接應(yīng)用呢？ 波長(zhǎng)為 1940 納米或 1960 納米的激光器是銩光纖激光器。這些波長(zhǎng)正是焊接透明塑料的理想波長(zhǎng)。在二極管和摻鐿光纖激光波長(zhǎng)（800-1100 納米）下，無(wú)添加劑塑料通常幾乎完全透明，但在銩光纖激光波長(zhǎng)下，它們吸收的激光能量要大得多。這種特性使得利用塑料本身吸收激光輸出并將部件焊接在一起成為可能。

材料通體吸收熱量問(wèn)題

雖然這種方法不需要額外的吸收層，但也有其缺點(diǎn)：與材料表面吸收不同，這種方法的吸收范圍是整個(gè)通體材料。激光束通過(guò)塑料時(shí)，會(huì)永久性地將部分激光能量發(fā)射到塑料上。這將轉(zhuǎn)化為熱量，從而沿著激光束的長(zhǎng)度方向加熱材料。

這種通體吸收特性會(huì)形成一個(gè)垂直延伸至整個(gè)部件厚度的熱影響區(qū)。局部加熱的材料在加熱時(shí)體積會(huì)增大，冷卻后會(huì)再次收縮。這可能導(dǎo)致焊接對(duì)手件接觸面的應(yīng)力，從而可能形成裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏。特殊聚焦方式可以克服這一困難。光束直徑大，焦距短，整個(gè)截面的強(qiáng)度梯度大。激光束在焦點(diǎn)處的能量密度/強(qiáng)度最大。在焦點(diǎn)之外，強(qiáng)度就會(huì)下降。因此，在參數(shù)設(shè)置最佳的情況下，熔化只能在靠近焦點(diǎn)的地方進(jìn)行。如果存在材料表面過(guò)度加熱的風(fēng)險(xiǎn)，可使用溫度計(jì)進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。

焊接過(guò)程中的溫度測(cè)量

焊接過(guò)程中的溫度測(cè)量（溫度計(jì)）通常用于過(guò)程控制和質(zhì)量保證。它用于檢查熔化溫度、檢測(cè)焊縫缺陷或用于統(tǒng)計(jì)目的。該功能在激光焊接透明部件時(shí)更加有用，因?yàn)樗梢员O(jiān)控材料表面加熱情況。除其他外，瑞士海目星在這里還使用了傳統(tǒng)的軸測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀使用脈沖激光輸出。通過(guò)定期開(kāi)關(guān)激光器，可以只在輻射暫停時(shí)測(cè)量溫度。之所以需要這樣做，是因?yàn)榧す獾妮椛鋾?huì)扭曲高溫計(jì)的信號(hào)。

聚焦醫(yī)療技術(shù)和食品工業(yè)

激光焊接透明塑料（"透明-透明"）具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在對(duì)精度、衛(wèi)生和材料完整性要求極高的領(lǐng)域。具體應(yīng)用包括

醫(yī)學(xué)工程

• 生產(chǎn)用于芯片實(shí)驗(yàn)室診斷設(shè)備的微流控部件。
  

• 生產(chǎn)醫(yī)療容器，如血液和輸液袋或醫(yī)療廢物袋。

• 生產(chǎn)醫(yī)療植入物和假肢。

食品和飲料行業(yè)

• 焊接透明包裝，實(shí)現(xiàn)食品的安全和生物兼容儲(chǔ)存。

• 生產(chǎn)專為保護(hù)食品和保持食品新鮮而設(shè)計(jì)的包裝。

汽車行業(yè)

• 應(yīng)用于傳感器技術(shù)，例如生產(chǎn)集成到透明塑料部件中的傳感器。

• 生產(chǎn)需要透明的美觀部件，如燈具或裝飾鑲板。

電子和光學(xué)系統(tǒng)

• 用透明塑料生產(chǎn)透鏡和棱鏡等光學(xué)元件。

• 為需要光學(xué)透明的電子設(shè)備生產(chǎn)外殼和蓋子。

包裝行業(yè)

• 焊接薄膜以滿足特殊包裝要求。

• 為消費(fèi)者保護(hù)包裝生產(chǎn)安全封條和其他元件。

關(guān)鍵技術(shù)障礙少但潛力大

激光焊接透明塑料（"透明到透明"）正日益成為醫(yī)療技術(shù)和食品工業(yè)等領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。這種方法首次實(shí)現(xiàn)了在其中一個(gè)連接部件中不使用吸收劑的焊接，從而確保了清潔生產(chǎn)，使其成為醫(yī)療和食品安全應(yīng)用的理想選擇。

現(xiàn)代技術(shù)，如使用特定波長(zhǎng)（1940 nm 或 1960 nm）的大功率銩光纖激光器，可利用透明塑料的天然吸收特性，將激光能量轉(zhuǎn)化為熱量。這樣就可以在不使用吸收劑的情況下進(jìn)行焊接，但也帶來(lái)了材料通體吸收熱量的難題，這會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)擴(kuò)大，并可能影響塑料的結(jié)構(gòu)。

精確控制工藝參數(shù)和使用溫度計(jì)進(jìn)行溫度控制對(duì)焊縫質(zhì)量至關(guān)重要，尤其是在生產(chǎn)微流體部件、血袋或連接塑料薄膜時(shí)。

這不僅用于醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，還用于汽車工業(yè)的外飾或傳感器應(yīng)用，以及生物相容性起著重要作用的食品工業(yè)。因此，透明激光焊接是提高透明塑料產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量的創(chuàng)新解決方案，為激光焊接技術(shù)開(kāi)辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。