透明塑料的激光焊接是一項開創(chuàng)性技術，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)療技術開辟了新的應用領域，而透明材料對醫(yī)療技術至關重要。
作者：Claas Steffen，瑞士海目星技術股份公司研發(fā)工程經(jīng)理；Anja Wieder，瑞士海目星集團企業(yè)傳播經(jīng)理
多年來，激光焊接塑料一直是一種成熟的連接技術，其重要性與日俱增。該工藝在各行各業(yè)的新應用領域不斷得到開發(fā)。有一種新方法特別具有前瞻性：為特殊應用焊接透明塑料。采用這種工藝進行激光焊接時，無需添加傳統(tǒng)激光焊接工藝所需的顏料或吸收劑。在醫(yī)療技術或食品工業(yè)等應用領域，光學分析過程和生產(chǎn)中可靠檢測雜質都要求所用部件具有透明度。
久經(jīng)考驗的激光焊接方法
在傳統(tǒng)的塑料激光焊接過程中，對激光束透明的部件與吸收激光束的部件相接合。波長在近紅外范圍內的激光輻射可穿透透明的結合部件，并與吸收部件相遇，在吸收部件中，激光能量被轉化為熱量。接合雙方通過熱傳導熔化并粘合在一起。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。由于激光輻射無法轉化為焊接過程所需的熱量，這給焊接透明連接件帶來了挑戰(zhàn)。為了能夠焊接兩個透明塑料部件，需要對激光焊接工藝進行調整：使用合適的激光波長。
許多光學透明塑料在波長為 900 至 1100 納米時具有很高的透明度，但在波長為 2000 納米（2 微米）左右時，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范圍內進行焊接。這些光學鏡頭（如 SPOT 或 GLOBO 光學鏡頭）的光學器件必須與新波長相匹配。
但是，哪種激光器適合這些塑料焊接應用呢？ 波長為 1940 納米或 1960 納米的激光器是銩光纖激光器。這些波長正是焊接透明塑料的理想波長。在二極管和摻鐿光纖激光波長（800-1100 納米）下，無添加劑塑料通常幾乎完全透明，但在銩光纖激光波長下，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題
雖然這種方法不需要額外的吸收層，但也有其缺點：與材料表面吸收不同，這種方法的吸收范圍是整個通體材料。激光束通過塑料時，會永久性地將部分激光能量發(fā)射到塑料上。這將轉化為熱量，從而沿著激光束的長度方向加熱材料。
這種通體吸收特性會形成一個垂直延伸至整個部件厚度的熱影響區(qū)。局部加熱的材料在加熱時體積會增大，冷卻后會再次收縮。這可能導致焊接對手件接觸面的應力，從而可能形成裂縫，進而導致泄漏。特殊聚焦方式可以克服這一困難。光束直徑大，焦距短，整個截面的強度梯度大。激光束在焦點處的能量密度/強度最大。在焦點之外，強度就會下降。因此，在參數(shù)設置最佳的情況下，熔化只能在靠近焦點的地方進行。如果存在材料表面過度加熱的風險，可使用溫度計進行控制或調節(jié)。
焊接過程中的溫度測量
焊接過程中的溫度測量（溫度計）通常用于過程控制和質量保證。它用于檢查熔化溫度、檢測焊縫缺陷或用于統(tǒng)計目的。該功能在激光焊接透明部件時更加有用，因為它可以監(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)的軸測溫儀，該測溫儀使用脈沖激光輸出。通過定期開關激光器，可以只在輻射暫停時測量溫度。之所以需要這樣做，是因為激光的輻射會扭曲高溫計的信號。
聚焦醫(yī)療技術和食品工業(yè)
激光焊接透明塑料（"透明-透明"）具有廣泛的應用前景，尤其是在對精度、衛(wèi)生和材料完整性要求極高的領域。具體應用包括
醫(yī)學工程
生產(chǎn)用于芯片實驗室診斷設備的微流控部件。
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，實現(xiàn)食品的安全和生物兼容儲存。
生產(chǎn)專為保護食品和保持食品新鮮而設計的包裝。
汽車行業(yè)
應用于傳感器技術，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。
電子和光學系統(tǒng)
用透明塑料生產(chǎn)透鏡和棱鏡等光學元件。
為需要光學透明的電子設備生產(chǎn)外殼和蓋子。
包裝行業(yè)
焊接薄膜以滿足特殊包裝要求。
為消費者保護包裝生產(chǎn)安全封條和其他元件。
關鍵技術障礙少但潛力大
激光焊接透明塑料（"透明到透明"）正日益成為醫(yī)療技術和食品工業(yè)等領域的一個關鍵領域。這種方法首次實現(xiàn)了在其中一個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)療和食品安全應用的理想選擇。
現(xiàn)代技術，如使用特定波長（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，將激光能量轉化為熱量。這樣就可以在不使用吸收劑的情況下進行焊接，但也帶來了材料通體吸收熱量的難題，這會導致熱影響區(qū)擴大，并可能影響塑料的結構。
精確控制工藝參數(shù)和使用溫度計進行溫度控制對焊縫質量至關重要，尤其是在生產(chǎn)微流體部件、血袋或連接塑料薄膜時。
這不僅用于醫(yī)療技術領域，還用于汽車工業(yè)的外飾或傳感器應用，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)效率和質量的創(chuàng)新解決方案，為激光焊接技術開辟了許多新的應用領域。
