透明塑料激光焊接的基本原理

我們傳統(tǒng)意義上的塑料激光焊接指的是激光穿透焊接，上層塑料要能夠讓激光可以穿透，下層工件要能夠吸收激光的能量。因此，上層塑料部件一般為本色塑料，下層塑料一般為黑色塑料。

塑料激光穿透焊接最大的問題在于焊接透明與透明的材料，比如醫(yī)療器械應(yīng)用大量使用的PC與PC之間的焊接。由于上下塑料都是激光可穿透的部件，缺乏激光吸收層，因此如果要使用塑料激光穿透焊接工藝，就必須要在焊縫處涂上Clear Weld等吸光劑，借助吸光劑吸收激光能量來融化焊縫進(jìn)行焊接。

然而這一工藝很少被客戶批量生產(chǎn)采用，原因在于一方面激光吸收劑會(huì)產(chǎn)生額外的耗材成本，增加生產(chǎn)成本;另一方面，生產(chǎn)上多一道噴涂工藝會(huì)額外增加設(shè)備、耗材及制造風(fēng)險(xiǎn)。

最近幾年，新的塑料激光焊接技術(shù)解決了透明和透明塑料的焊接問題。這一透明塑料的激光焊接方式來源于塑料對(duì)于不同波段激光所表現(xiàn)出來的不同穿透與吸收特性。

上圖是不同材料對(duì)于不同波長激光的穿透率。

傳統(tǒng)的塑料激光穿透焊接使用的激光波長一般在900-1000nm，可以看到在這一波段，塑料對(duì)于激光的穿透率非常高，可以達(dá)到85-95%。由于T(穿透率)+R(反射率)+A(吸收率)=1.材料對(duì)于激光的反射率可以忽略不計(jì)，因此在這一波段，塑料對(duì)于激光的吸收率非常低，只有5-10%都不到。

而如果我們觀察激光波段2000-2100nm，我們發(fā)現(xiàn)PMMA和PC等透明材料在這一波段的透光性只有5-20%，相應(yīng)的對(duì)激光的吸收率就會(huì)高達(dá)80%以上。如此，如果使用2000nm左右的激光，就可以對(duì)透明的塑料材料進(jìn)行激光焊接。但這又會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問題，上下兩個(gè)透明的塑料都能夠吸收激光的功率，如何才能實(shí)現(xiàn)有效的焊接呢?

在激光打到塑料上時(shí)，如果塑料表面有很高的吸光效能，比如材料是黑色的。或者在激光的焦點(diǎn)處，此時(shí)大部分的激光能量都會(huì)被材料表面吸收進(jìn)而熔化塑料進(jìn)行焊接。如果材料在遠(yuǎn)離激光焦點(diǎn)的位置，激光通過的時(shí)候，能量會(huì)被塑料通體吸收，塑料發(fā)燙但不足以熔化材料。

因此，對(duì)于透明塑料的激光焊接，我們選取2000nm左右波段的激光以確保PC、PMMA等透明塑料可以吸收激光的能量。我們還需要使用極短焦距的激光頭將光束聚焦成光斑，這種鏡頭的特性在于鏡頭出光口的光束直徑要遠(yuǎn)大于焦點(diǎn)的光斑。在激光通過上層工件時(shí)，由于光束直徑很大，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，于是將塑料熔化完成焊接。