探索激光技术在塑料焊接中的优势

汽车、化学和制药行业以及不可忽视的医疗机构都要求大批量的紧凑、易于使用和密封的塑料部件。由于大功率基于二极管的光纤耦合激光源的可用性，塑料焊接正在迅速征服所有这些领域。除了更高的吞吐量和更小的焊接细节外，客户还渴望降低颜色敏感性和清晰的接头。后者可以通过 莱塞激光 模块在 2 µm 到 3 µm 范围内使用，因为大多数热塑性塑料的吸收增加。我们独特的“整流偏振光束组合”技术使我们能够在 CW 中达到高达 105 W 的功率。

什么是激光塑料焊接？

如今，激光塑料焊接是一种常用的技术，通过激光辐射相互作用将多个定制的塑料部件无接触地组合在一起。它是一种材料加工应用程序，不断获得更多关注，并且正在不断发展以适应工业需求。激光塑料焊接最适用于热塑性塑料，例如 PA6、PMMA、PEEK、PTFE 和 TPU。还有更多，但这只是可能的候选人的选择。有些组合比其他组合具有更强的焊接强度，可以在表格中查找。在特定类型的特定温度范围内，热塑性塑料在分解之前会形成液相。基于这些温度窗口，可以选择合适的组合。

通常，焊接方法可分为两种主要方案（简化）。

• 穿透式激光焊接

• 标准透射激光焊接

图 1： 示意性地显示了标准透射激光焊接，其中由于入射激光的完全吸收，能量沉积发生在下部。能量吸收是由使用不同的塑料或添加 IR (~1 µm) 吸收剂颗粒引起的。图2：

说明了所谓的从透明到透明的激光焊接方案。这里使用的现像是不同的，因为能量通过更长波长（> 2 µm）激光的更高固有吸收而沉积在块状材料中。这种方法允许多层焊接。

第一种方案要么在两种不同的塑料之间建立，要么在相同的塑料之间建立，而在后一种情况下，较低的一种具有红外吸收添加剂或不同的颜色。对于穿透式激光焊接，能量沉积发生在两个部分的接合部分，通过完全吸收来自下部的辐射。这可以在图 1a 中看到。通常使用的波长在 808 nm 和 1064 nm 之间。而 808 nm 到 1060 nm 的范围可以被高功率直接二极管激光器覆盖，而 1030 nm 和 1064 nm 是 Yb 和 Nd 掺杂激光器的发射线。

另一种方法称为“从透明到透明”激光焊接，该方案中使用的物理原理与第一种方法有所不同。示意图如图 1b 所示。大多数热塑性塑料在 SWIR (> 2 µm) 光区域内具有增加的本征吸收，这使得体能沉积成为可能。根据要焊接的塑料，与 1 µm 附近的激光相比，2 µm 直接基于二极管的激光源可以提供 20% – 30% 的更高吸附。由于能量沉积发生在块状材料内部而不是下部，因此可以创建多层接头，这对于下一代微流控芯片/设备很有用。

需要克服哪些挑战？

本节特别关注从透明到透明的接头，其中相同塑料的两个部分焊接在一起。顾名思义，这两个部分在可见光范围内都是清晰的，并且在 SWIR (> 2 µm) 光区域内具有更高的固有吸收。由于不需要的吸收或反射，颜色和白色塑料对使用的标准光源（808 nm 至 1060 nm）造成了额外的困难。重要的焊接参数是：

1. 光功率：大约 100 W 到 200 W 的 CW 可为您的生产过程提供合理的吞吐量。莱塞激光 可提供 940 nm 和 980 nm 的 200 W 以及 2 µm 和 3 µm 的 105 W。

2. 光束质量：源尺寸决定了“初始”M 2值，该值直接转化为最小光斑尺寸和/或焊透厚度。通常使用 200 µm 的纤芯。

3. 光束形状：顶帽状或超高斯强度分布将防止焊缝内部出现热点，并可以提高焊缝质量。同时需要权衡以匹配焊缝的结构尺寸。

4. 墙插效率：基于激光二极管的解决方案比其他激光系统提供更高的总 WPE 值，这使其成为聚合物焊接的绝佳解决方案。我们的@FLEX 模块在 2 µm 到 3 µm 可以达到 10%。

除了达到这些参数外，还需要彻底规划机械装配的设置，并且可以通过正确选择光束传输来提高焊接质量，例如，可以使用光导来均匀化焊点。