透明塑料的激光焊接是一项开创性技术，可使透明部件在不添加吸收剂的情况下获得干净的焊缝。它为医疗技术开辟了新的应用领域，而透明材料对医疗技术至关重要。
作者：Claas Steffen，瑞士海目星技术股份公司研发工程经理；Anja Wieder，瑞士海目星集团企业传播经理
多年来，激光焊接塑料一直是一种成熟的连接技术，其重要性与日俱增。该工艺在各行各业的新应用领域不断得到开发。有一种新方法特别具有前瞻性：为特殊应用焊接透明塑料。采用这种工艺进行激光焊接时，无需添加传统激光焊接工艺所需的颜料或吸收剂。在医疗技术或食品工业等应用领域，光学分析过程和生产中可靠检测杂质都要求所用部件具有透明度。
久经考验的激光焊接方法
在传统的塑料激光焊接过程中，对激光束透明的部件与吸收激光束的部件相接合。波长在近红外范围内的激光辐射可穿透透明的结合部件，并与吸收部件相遇，在吸收部件中，激光能量被转化为热量。接合双方通过热传导熔化并粘合在一起。待连接的部件冷却后，焊缝就形成了。这种焊接工艺的前提条件是激光能量在接触面附近被吸收
波长是决定性的
透明塑料自然允许通常用于激光塑料焊接的激光辐射通过。由于激光辐射无法转化为焊接过程所需的热量，这给焊接透明连接件带来了挑战。为了能够焊接两个透明塑料部件，需要对激光焊接工艺进行调整：使用合适的激光波长。
许多光学透明塑料在波长为 900 至 1100 纳米时具有很高的透明度，但在波长为 2000 纳米（2 微米）左右时，它们吸收激光辐射的比例要大得多。这意味着透明塑料可以在此波长范围内进行焊接。这些光学镜头（如 SPOT 或 GLOBO 光学镜头）的光学器件必须与新波长相匹配。
但是，哪种激光器适合这些塑料焊接应用呢？ 波长为 1940 纳米或 1960 纳米的激光器是铥光纤激光器。这些波长正是焊接透明塑料的理想波长。在二极管和掺镱光纤激光波长（800-1100 纳米）下，无添加剂塑料通常几乎完全透明，但在铥光纤激光波长下，它们吸收的激光能量要大得多。这种特性使得利用塑料本身吸收激光输出并将部件焊接在一起成为可能。
材料通体吸收热量问题
虽然这种方法不需要额外的吸收层，但也有其缺点：与材料表面吸收不同，这种方法的吸收范围是整个通体材料。激光束通过塑料时，会永久性地将部分激光能量发射到塑料上。这将转化为热量，从而沿着激光束的长度方向加热材料。
这种通体吸收特性会形成一个垂直延伸至整个部件厚度的热影响区。局部加热的材料在加热时体积会增大，冷却后会再次收缩。这可能导致焊接对手件接触面的应力，从而可能形成裂缝，进而导致泄漏。特殊聚焦方式可以克服这一困难。光束直径大，焦距短，整个截面的强度梯度大。激光束在焦点处的能量密度/强度最大。在焦点之外，强度就会下降。因此，在参数设置最佳的情况下，熔化只能在靠近焦点的地方进行。如果存在材料表面过度加热的风险，可使用温度计进行控制或调节。
焊接过程中的温度测量
焊接过程中的温度测量（温度计）通常用于过程控制和质量保证。它用于检查熔化温度、检测焊缝缺陷或用于统计目的。该功能在激光焊接透明部件时更加有用，因为它可以监控材料表面加热情况。除其他外，瑞士海目星在这里还使用了传统的轴测温仪，该测温仪使用脉冲激光输出。通过定期开关激光器，可以只在辐射暂停时测量温度。之所以需要这样做，是因为激光的辐射会扭曲高温计的信号。
聚焦医疗技术和食品工业
激光焊接透明塑料（"透明-透明"）具有广泛的应用前景，尤其是在对精度、卫生和材料完整性要求极高的领域。具体应用包括
医学工程
生产用于芯片实验室诊断设备的微流控部件。
生产医疗容器，如血液和输液袋或医疗废物袋。
生产医疗植入物和假肢。
食品和饮料行业
焊接透明包装，实现食品的安全和生物兼容储存。
生产专为保护食品和保持食品新鲜而设计的包装。
汽车行业
应用于传感器技术，例如生产集成到透明塑料部件中的传感器。
生产需要透明的美观部件，如灯具或装饰镶板。
电子和光学系统
用透明塑料生产透镜和棱镜等光学元件。
为需要光学透明的电子设备生产外壳和盖子。
包装行业
焊接薄膜以满足特殊包装要求。
为消费者保护包装生产安全封条和其他元件。
关键技术障碍少但潜力大
激光焊接透明塑料（"透明到透明"）正日益成为医疗技术和食品工业等领域的一个关键领域。这种方法首次实现了在其中一个连接部件中不使用吸收剂的焊接，从而确保了清洁生产，使其成为医疗和食品安全应用的理想选择。
现代技术，如使用特定波长（1940 nm 或 1960 nm）的大功率铥光纤激光器，可利用透明塑料的天然吸收特性，将激光能量转化为热量。这样就可以在不使用吸收剂的情况下进行焊接，但也带来了材料通体吸收热量的难题，这会导致热影响区扩大，并可能影响塑料的结构。
精确控制工艺参数和使用温度计进行温度控制对焊缝质量至关重要，尤其是在生产微流体部件、血袋或连接塑料薄膜时。
这不仅用于医疗技术领域，还用于汽车工业的外饰或传感器应用，以及生物相容性起着重要作用的食品工业。因此，透明激光焊接是提高透明塑料产品生产效率和质量的创新解决方案，为激光焊接技术开辟了许多新的应用领域。
