近十年来，激光塑料焊接已经广泛应用于汽车、微电子、以及食品包装等各个领域，较常用的光源包括CO2激光光源（10.6μm）、808nm或者970nm半导体光源、以及近红外1064nm等光源。 塑料焊接的基本原理属于热熔焊范畴，即塑料吸收激光注入的部分能量，将其转化成热能而达到焊接的目的， 因此某种塑料对于不同波长的吸收率，材料的厚度，以及塑料的颜色和表面纹理等对焊接效果起到至关重要的作用， 不同塑料材料在不同波长下的透过率见图1所示。

激光塑料焊接的原理

塑料焊接根据其对激光波长的吸收率大致可分为激光透射焊接和激光直接焊接。 最常见的激光焊接形式是采用波长在750nm-1100nm的激光透射焊接，在这种方法中，被焊接的塑料材料对该波段的透射率较高，光束透过上面的塑料将能量输送到下面塑料的上表面后发生加热和熔化，要达到这一目的，需要在上下塑料之间添加助焊剂或者在下层塑料中预先添加激光吸收添加剂(IR absorber， 比如碳黑、黑漆、金属氧化物、特殊吸收剂Clear Weld等) 以提高接触面的吸收率, (见图2， a)。如果塑料中没有填料或颜料，激光将穿透几毫米的半晶塑料（比如PE、PP、 PA、PEEK等)，或完全穿透透明非晶塑料（比如PC、PMMA、PS等）而无法形成焊接。因此在这一范围内的可焊性以及焊接质量很大程度取决于塑料中是否存在添加剂和颜色，以及塑料是晶态（半晶还是非晶）。然而对于医药、食品包装等要求高的行业，添加吸收剂的焊接方法不仅易造成吸收剂污染，而且也增加了零件组装的复杂性，因此是被严格禁止的。另外，3C行业耳机常用的浅色塑料（纯白、乳白或者银色）对430nm-1100nm波段具有较强的反射作用，使得该波段激光无法穿透上层塑料到达焊接面，因此成为塑料焊接的难点。

另外一种常见的塑料焊接的方法是激光直接焊接，在这种焊接过程中，塑料对于激光波长有很高的吸收率，光束透过上面的塑料时，上面的塑料材料吸收部分激光能量，除了散射能量外，剩余能量传到下面塑料，在结合面形成熔化焊接。由于塑料对波长有很高的吸收率，因此，激光能量随着激光入射深度的增加而且迅速衰减，因此该种方法只适合焊接较薄的材料（见图2，c）。典型的激光直接焊接所采用的波长为10.6μm的CO2激光器，大多是塑料对CO2激光的波长具有很高的吸收率（90%），因此CO2光一般只适用焊接薄膜、塑料薄板和织物等热塑性塑料。而且，塑料材料对远红外激光高吸收的特性，导致了CO2激光易烧蚀和破坏塑料表层，从而影响塑料产品的外观及质量。另外，由于CO2激光的波长为10.6μm, 因此对于焊接宽度小于60μm的精密塑料焊接应用，难度很大。

2.0μm波长激光塑料焊接的优势

近年来，红外1μm光纤激光器技术的成熟和应用的普及， 现有的1μm光纤激光器的结构以及器件技术，在工业级2μm激光器的研制中完全可以借鉴。除了采用掺铥的增益光纤（Tm doped fiber）以及相应的半导体泵浦源（793nm）外，整体结构同1μm的连续和脉冲光纤激光器没有差别 （见图3）。2μm光纤激光器的总体性能几乎可以和1μm光纤激光器一样稳定，特别是在紧凑性、效率、稳定性和日常操作的方便性方面，因此它们的生产能够满足任何更大规模的潜在应用。

随着2μm的各种掺铥光纤激光器的研制和产业化步伐的不断加快，为塑料焊接特别是透明塑料焊接带来全新的解决方案，从图1可以看出，大多数塑料材料对波长1900nm-2100nm的吸收率介于红外（750nm-1100nm）和CO2 (10.6μm)之间，对于PMMA、PP、PC等材料吸收率在25%-40%之间，对于PA6可高达70%，因此2.0μm波长的激光对于塑料材料来说，较好地兼顾了激光能量吸收和能量透射的平衡，通过对光束质量的选择，以及对焦深的调整，使得落在工件上表面的光束直径要远大于焦点的光斑，在激光通过上层工件时，由于光束直径较大，因此其能量密度不足以熔化上层工件，而激光的焦点就在焊缝处，由于焦点有足够的能量密度， 再加上工件的结合接触面形成折射率的陡降，容易产生能量聚集效果，熔化塑料完成焊接 （见图2， b）。

相关实验显示，透明聚合物PC材料在 2.0μm 波段的吸收明显大于可见光及近红外波段， 在50W的808nm激光功率下，透明PET材料仍然无法实现焊接，采用添加炭黑吸收剂后才能焊接上， 但是在2W的2.0μm激光作用下，可实现PET材料的焊接（见图4）。 除了焊缝干净、无污染外，相关拉伸试验表明，2.0μm激光焊接的拉伸应力要明显大于添加炭黑吸收剂的808nm激光焊接样品（见图5）。 证明了2.0μm激光焊接的优越性。

白色塑料激光焊接对比试验也显示，采用2μm波长焊缝美观良好，而采用808nm波长焊接的连接处有明显的烧灼痕迹（见图6）， 拉伸试验也显示采用2μm波长焊接的强度高于808nm焊接工件的强度， 虽然超过3W后808nm焊件强度高于2μm焊件，但808nm工件会冒烟，工件烧灼损坏严重（见图7）。

由深圳泰德激光科技有限公司和深圳技术大学联合自主研发的五轴联动2.0μm透明塑料焊接设备(见图8)为医疗和精密3C塑料焊接带来全新的工业解决方案，极大降低简化了医疗用塑料包装以及微流控液体微通道的精密激光焊接（见图9、图10）。

结论

许多塑料材料在2μm波长附近的光吸收，为该光谱区域的激光加工提供了多种灵活的解决方案，为替代许多传统的塑料焊接提供了独特的机会。 采用2μm激光焊接技术，可以实现高精度、高效率，无污染的透明、非透明塑料或弹性体材料的焊接。通过优化2μm激光加工参数以及配合五轴联动焊接平台，可以实现多种医药行业、3C行业和微电子领域的2D、3D 精密塑料的焊接。随着越来越多的高功率和可靠耐用的2μm光纤激光器及其集成系统投入市场，越来越多的行业会受益于2μm光谱窗口所提供的无污染、高效的精密焊接，推动相关产业升级换代和效率提升。