2μm激光器在塑料焊接中的應(yīng)用
一、引言背景
隨著科技的不斷進步，激光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中，激光焊接作為一種高效、精準(zhǔn)的焊接方式，已經(jīng)得到了現(xiàn)代智能加工制造的廣泛應(yīng)用。
激光焊接是一種利用高能量密度的激光束作為熱源進行精密焊接的方法，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，實現(xiàn)工件熔化并形成特定的熔池，從而達(dá)到連接材料的目的。它具有高效、精準(zhǔn)、適應(yīng)性廣和環(huán)保等優(yōu)點。激光焊接可以應(yīng)用于各種塑料、金屬和其他材料的焊接，特別是對微小型零件的精密焊接具有顯著優(yōu)勢。
二、2μm光纖激光器介紹
1988 年，英國南安普敦大學(xué)Hanna 等首次實現(xiàn)了摻銩單模光纖激光器21 mW輸出，并且可以在1880~1960 nm 范圍內(nèi)調(diào)諧輸出激光。從原理上看，2μm波段處于人眼的安全波段，對NO、H2O、CO2等有著良好的吸收譜線，而且具備高電光轉(zhuǎn)換效率、體積緊湊、免維護運行等特點，因此可以應(yīng)用于激光雷達(dá)、空間通信、生物醫(yī)療、材料加工等多個方向。目前2μm激光器的生產(chǎn)廠家主要有Trumpf，IPG等公司，國內(nèi)主要有中鐳光電，杰普特，瀚宇等。
其中我司中鐳光電目前可提供全光纖結(jié)構(gòu)的2μm 波段摻銩光纖激光器，額定輸出功率 5-100W 可選，其中功率 30W 及以下為風(fēng)冷散熱， 50W 以上采用水冷散熱，激光器輸出單模和多?？蛇x，波長范圍涵蓋 1.9-2.05um。
三、2um激光器在塑料焊接中的應(yīng)用
激光塑料焊接一般是利用透射焊接原理。焊接時選用特定波段的激光作為焊接熱源，一般為紅外激光，因為該波段的激光對于絕大多數(shù)種類的透明或有色熱塑性塑料吸收率較低，激光透過塑料損失的能量較少。在焊接塑料選擇上，上層材料需要能最大程度的透過所用波段激光，下層材料要最大程度的吸收所用波段激光。焊接時，激光透過上層材料入射到下層材料表面，下層材料對激光具有較高的吸收率，再吸收激光后產(chǎn)生大量的熱量在上下層材料結(jié)合處，熱量使得結(jié)合面處塑料熔化，冷卻后在結(jié)合面處形成焊縫，即可完成焊接。在使用2μm光纖激光器焊接時，光束能量會沉積在幾乎所有塑料頂端幾毫米處，利用這個特點，可以焊接厚度不超過幾毫米的塑料板材，而無需添加劑。該過程稱為“直接激光焊接”，與“透射激光焊接”原理不同。直接激光焊接目前尚未廣泛用于塑料焊接，其典型應(yīng)用是透明對透明的塑料焊接，具有廣泛應(yīng)用的潛力。
激光透射焊接原理圖
目前塑料焊接的市場普遍采用熱板焊接、熱氣焊、超聲波焊接、熱棒和脈沖焊接、電阻植入焊接等方法，這些方法在焊接精細(xì)度，焊接尺寸，焊接效率，焊接可靠度等方面都有著諸多亟待改進的不便。市場需要一種既能控制材料熱塑性變形以提高焊接加工精度，又能保證焊縫均勻以提高焊接質(zhì)量的快速焊接方法。為此，激光塑料焊接應(yīng)用而生，相比于傳統(tǒng)的焊接方法，激光塑料焊接具有以下優(yōu)勢：
①非接觸焊接：激光焊接采用非接觸方式進行焊接，避免了傳統(tǒng)焊接方式中存在的機械應(yīng)力、振動等問題，從而保護了塑料制品的結(jié)構(gòu)和性能。
②高精度和高質(zhì)量的焊接：由于2μm激光器的波長和光斑大小比較適合塑料的吸收和焊接，因此可以實現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的焊接，可以通過對2um激光器的光斑整形實現(xiàn)超細(xì)焊。此外，由于激光焊接的熱量集中、熱影響區(qū)小，因此可以獲得清晰的焊縫和較小的熱影響區(qū)。
③材料適應(yīng)性廣：2μm激光器適用于多種塑料材料的焊接，包括聚乙烯塑料(簡稱PE)，聚丙烯塑料(簡稱PP)，聚氯乙烯塑料(簡稱PVC)等。下圖展示的是各種不同類型的塑料焊接可靠性矩陣表。
④易于實現(xiàn)自動焊及復(fù)雜焊：2um激光器可以通過編程和自動化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)焊接過程的自動化，從而減少了人為因素對焊接質(zhì)量的影響，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。另外在一些非平面焊接，諸如連接件，彎曲件，管道接頭，2um激光器可以大展身手，完美實現(xiàn)復(fù)雜焊接。
⑤環(huán)保和安全：相比傳統(tǒng)焊接方式中使用的氣體、焊絲或者粘合劑等材料，2um激光器不需要這些材料，僅需要增加一些添加劑，例如填料和顏料，來提高塑料的吸收激光能力，從而減少了環(huán)境污染和安全風(fēng)險。
目前2μm激光塑料焊接技術(shù)因其高效、精確和環(huán)保的特性，在醫(yī)療、電子電器等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，。
② 電子電器行業(yè)：在小型化、輕量化的精密塑料電子電器行業(yè)中，2μm激光塑料焊接技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，它可以用于電腦塑料件、手機部件（如外殼、耳機座、USB接口等）、鼠標(biāo)、連接器、開關(guān)等塑料部件的焊接。
③ 汽車行業(yè)：隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，特別是新能源汽車廠家的推動，汽車市場亟需高精密、高質(zhì)量、高效率、高環(huán)保的汽車零部件加工工藝。2μm激光塑料焊接技術(shù)可以滿足連接汽車的各種零部件的加工需求，如車燈、儀表盤、傳感器、微電機、雷達(dá)、攝像頭等。這種技術(shù)能夠確保連接的高效率和高質(zhì)量，同時滿足汽車行業(yè)對無污染生產(chǎn)的需求。
④ 家電行業(yè)：在家電制造領(lǐng)域，2μm激光塑料焊接技術(shù)同樣具有廣泛的應(yīng)用。例如，洗衣機、冰箱等家電產(chǎn)品的外殼、控制面板等部件都可以采用這種技術(shù)進行連接。這種技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率，還確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。
此外，隨著技術(shù)的不斷進步和市場的不斷拓展，2μm激光塑料焊接技術(shù)還有可能在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如航空航天、玩具制造等?？傊?，2μm激光塑料焊接技術(shù)憑借其高精度、高效率、無污染等優(yōu)點，正在成為越來越多行業(yè)選擇的塑料連接技術(shù)。
