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2µm 激光器:彻底改变透明塑料的焊接

到目前为止,激光塑料焊接还有一个严重的缺点:不能粘结透明零件。尽管激光塑料焊接已在几十年的商业应用中得到广泛的应用,但与其它连接方式相比,具有无颗粒接缝、精确度、高强度等显著优点,推动了该技术的推广。对医疗设备和消费类产品的粘合透明元件不仅要求激光焊接精度更高,而且通常需要完全透明的组件。伴随着激光技术新的革新,从微流体和导管到水瓶和耳塞的应用都得益于激光焊接。

2微米激光怎样改变激光塑料焊接?

1μm 和 2μm 之间激光波长的差异

表 1. 1μm 和 2μm 之间激光波长的差异

要理解这种新的激光技术如何有助于粘合透明的应用,首先要理解最初的1微米激光焊接的工作原理,以及它与较新的2微米激光焊接方法有什么不同。这一新技术不再使用波长接近1微米光谱的激光,而是使用接近2微米波长的激光。

激光塑料焊接的最初发展被称为穿透激光焊接,通常称为1μm或“一微米”激光焊接。当焊接时间为1μm时,激光辐射量达到95%或更多,进入光学透明热塑性塑料时,将通过塑料进行。尽管光学半透明塑料(如PBT或含有玻璃填充物的塑料)的透射率较低,但如果有一部分激光能穿过上层,则仍可焊接。

激光折射原理

因为大多数1微米激光都经过或经过塑料的辐射,上层的光能不能转化成热能,产生熔体或粘合。用1μm激光建立键合需要吸收某一点的透射辐射来产生热能。这一吸收在基础组件层中实现。基体部件必须具有吸收性能,可通过在树脂中添加碳黑或特殊的激光吸收添加剂来实现。一旦被基板吸收,光辐射就会转变为热,与上(传输)层和下(吸收)层融合。

2微米激光焊接和1微米焊接的主要区别是:较高波长的激光与不含添加剂的透明激光或天然塑料相互作用。而到2微米波长激光的转变则明显改变了激光与热塑性塑料相互作用的方式。当使用1μm激光时,透明塑料中的大部分光能仍然通过2μm激光来传递能量,但是自然会吸收更多的能量-即使塑料在光学上是透明的。所有的区别都在于此。

通过实验,验证了普通透明塑料在不同波长的透射率。竖直蓝色条覆盖2μm波长或附近的传输速率。要注意这一区域的透射率低于1μm的波长或附近的透射率。在2μm的焊接过程中,金发带会被充分的吸收,从而使胶接牢固,并达到良好的生产速度。

对大部分自然或透明的热塑性塑料而言,2μm激光能传送约70%到85%的激光能量,而剩余的15%-30%能量将不需要任何添加剂。这一吸收剂引起了整个接合界面的体积加热和熔化。

 不同波长下普通光学透明塑料的透射率

不同波长下普通光学透明塑料的透射率

为何选择2μm?

迄今为止,主要的优势应该是明显的。2μm允许不带任何添加剂粘结透明塑料,但重要的是要了解这一点。激光焊接技术上,1微米激光焊接可以焊接透明塑料,但是它需要昂贵而难于使用的吸收剂,这增加了成本,并且引起了有关生物相容性和颜色变化的担忧。改为2微米工艺,公司可以避免额外的材料成本,保持完美的清晰度,减少生产线的步骤数量和复杂度。

除能在无添加物的情况下焊接透明塑料外,2μm激光焊接还有所有其它标准穿透激光焊接非常理想的优点:

1.      超细焊:可以达到小于0.3mm的光斑。

2.      重复:+/-5微米。

3.      连接形式:非常适用于连接件,弯曲件,或辐射状接头(如管道、管道等)

4.      灵敏用途:非接触或轻接触处理。

 

另外,近几年激光技术的革新,显著提高了2微米激光的可用功率。开始时,2微米激光输出功率仅为两位数甚至瓦特。目前200W稳定供电,大大缩短了循环时间,提高了吞吐量。

哪种应用最适合2微米焊接?

尽管2微米激光在很多行业中都有应用,包括汽车、通用工业、薄膜和包装等,但是2微米焊接的大多数需求来自医疗行业。常见的用途包括微流体设备,管道,袋,连接器,导管,贴身装置,诊断盒,流体室和罐,过滤装置等。

微流道激光焊接

微流体通道的偏光显微镜视图(COC:上层厚度为 0.38 毫米,焊缝宽度为 0.2 毫米)

微流场、诊断盒和检测通常都需要具有可见光或紫外光谱透射的元件来进行分析。所以,需要避免使用吸收剂或色素,这通常会导致1微米焊接不合格。

很多微流体装置,比如左上角的那个,由于其低荧光而使用了COC,从而改善了高光谱成像和分析。

其它应用,包括袋子、管道和连接器(左下角和52页),通常需要透明,这样终端用户才能看到液体或通过这些设备流动的液体。

消费领域也开始使用2微米激光焊接。主要用途有:水瓶、厨具、耳塞、话筒、电池外壳、感应器外壳、可穿戴设备、墨盒和助听器。

尽管消费产品的要求不如医疗器械那么严格,但是产品越来越小,美学要求也越来越严格。另外,通常市场团队和工程团队在选择塑料和产品颜色上的发言权一样多,即使不能多说),这样就能提供能将所有颜色和风格都用上的塑料,同时保持所有的清晰度也变得越来越重要。激光塑料焊接优点。

 

何时适于使用2微米激光焊接?

影响这一决定的因素很多,但主要的原因是,如果应用要求激光焊接所带来的所有好处(清洁接头、精确度、可重复性、高通量),以及两个连接部分均清晰或光学透射,则应用的轨道为2μm激光焊接。

为了寻找清晰的激光焊接,还需要注意一些其他事情,透过率和光学清晰度。

值得注意的是,激光透过率和光学清晰度是不同的。对于2μm的焊接来说,需要的是在~2000nm的光谱中传输红外线而非可见光谱。这就是说,零件不必是光学透明的;但是,这通常是需要的颜色格式。

如材料不含吸附性化合物(如炭黑),则可粘结有色塑料,甚至黑色塑料。一般而言,大多数彩色无机染料都有足够的透射率,以便与2微米激光焊接结合。

 

选用正确的塑料:

大部分天然热塑性塑料具有一定的合适的透射率,并且适合2微米激光焊接。但是有些塑料焊接比较困难或者是不可能的。这个函数主要是塑料在这些波长的透射率。

还记得,2微米的焊接需要依靠少量的激光能被塑料吸收,一般吸收15%-30%的能量是理想的。我们需要的是一个“金发区”,它的传输和吸收量足够好,粘接牢固,并保持良好的生产速度。若输送率过高,所吸收的能量不足以在大多数生产过程中快速形成粘结。另外,如果传输率过低,则很难焊穿较厚的零件,并在接合处获得足够的能量。

大部分无定型塑料和/或透明塑料,如ABS,COC,COP,PET,PP,PMMA,PS,PC,均可用于制造。甚至PC,由于其2,000纳米的高传输率,也会造成一些问题,尽管这些问题通常可以通过适当的零件设计来解决。还可以使用不太透明的塑料(如PA、TPU/TPE和PE),但是透光率较低,这会影响零件的设计。

半结晶聚合物的焊接难度较大,这是因为光能散射的方式,造成吸收困难。有些半晶态材料,如PP,可以焊接2μm,但是PBT、PEEK、LCP等材料极难焊接,甚至无法进行焊接。

部件尺寸。

大部分激光焊接都依靠电流扫描仪来控制激光的轨迹。这样可以使焊接模式和零件的形状灵活。2微米工艺的一大缺点是,当扫描仪输出激光波长时,扫描仪的工作范围较小。要达到很小的光束(<1mm),工作区域通常被限制在三到四英寸以下。能达到更大的工作范围,但牺牲光束的大小和精度,通常不适合用于较大的微流体箱或应用。

为解决这一问题,焊接系统开发了扫描仪与伺服驱动XY平台。有了专利软件,扫描仪和XY平台就能同步地把光束传输到部件,同时还能增加振镜扫描器的灵活性和高精度XY平台的工作范围。通过这种方式,可以达到490mm2(19.3in2)的工作区,可以在一个循环中处理大尺寸或更多的零件。

 

对多用途而言,1微米还是2微米焊接比较好?

激光塑料焊接市场在过去的几十年中已经相当成熟,并一直在快速发展,这部分归因于材料供应商和复合商的2微米焊接和新型彩色添加剂等革新,但并非都是因为它们。那哪种工艺比较好?

老实说,取决于你。尽管医疗设备和消费类产品的明确要求引领了这些行业对激光焊接的新要求,并为以前无法达到的1μm应用开辟了新的大门,但是1μm的市场依然是应用的最大份额。

每种应用程序都不一样,有自己独特的需求集合,光清晰就是其中之一。真正的好处在于,激光结合应用中的透射塑料的局限性正在迅速减少。

 



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