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透明塑料的激光焊接

  • 時間:2021-07-17

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我們傳統意義上的塑料激光焊接指的是激光穿透焊接,上層塑料要能夠讓激光可以穿透,下層工件要能夠吸收激光的能量。因此,上層塑料一般為透光塑料,下層塑料一般為黑色的吸光塑料。1是塑料焊接的難易程度。

  

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由圖1我們可以看到,最容易的是上層透明材料,下層黑色吸光材料的焊接,最難的是透明塑料與透明塑料激光的焊接和白色塑料與白色塑料的焊接。因為塑料激光焊接的原理就是上層必須是透光材料,下層是吸光材料;那么透明塑料是透光材料,是怎么樣實現透明塑料與透明塑料的焊接的呢?

塑料激光穿透焊接最大的問題在于焊接透明與透明的材料,比如醫療器械應用大量使用的PC與PC之間的焊接。由于上下塑料都是激光可穿透的部件,缺乏激光吸收層,因此如果要使用塑料激光穿透焊接工藝,就必須要在焊縫處涂上Clear Weld等吸光劑,借由吸光劑吸收激光能量來融化焊縫處進行焊接。然而這一工藝很少被客戶批量生產采用,原因在于一方面激光吸收劑的成本很高;另一方面,生產上多一道噴涂工藝會額外增加設備、耗材及制造風險。但是,早在2017年,華焯成功研發國內首臺透明塑料激光焊接設備,而且不需添加任何吸收劑完成雙透明塑料激光焊接。華焯也是目前國內唯一掌握透明激光焊接技術的生產廠家。圖2是華焯的專利產品,透明塑料激光焊接機;

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透明塑料的激光焊接方式來源于塑料對于不同波段激光所表現出來的不同穿透與吸收特性。圖3是不同材料對于不同波長激光的穿透率的圖表。傳統的塑料激光穿透焊接使用的激光波長一般在900-1000nm,可以看到在這一波段,塑料對于激光的穿透率非常高,可以達到85-95%。由于T(穿透率)+R(反射率)+A(吸收率)=1,材料對于激光的反射率可以忽略不計,因此在這一波段,塑料對于激光的吸收率非常低,只有5-10%都不到。而如果我們觀察激光波段2000-2100nm,我們發現PMMA和PC等透明材料在這一波段的透光性只有5-20%,相應的對激光的吸收率就會高達80%以上。如此,如果使用2000nm左右的激光,就可以對透明的塑料材料進行激光焊接。但這又會產生另一個問題,上下兩個透明的塑料都能夠吸收激光的功率,如何才能實現有效的焊接呢?

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在激光打到塑料上時,如果塑料表面有很高的吸光效能,比如材料是黑色的?;蛘咴诩す獾慕裹c處,此時大部分的激光能量都會被材料表面吸收進而熔化塑料進行焊接。如果材料在遠離激光焦點的位置,激光通過的時候,能量會被塑料通體吸收,塑料發燙但不足以熔化材料。 因此,對于透明塑料的激光焊接,我們選取2000nm左右波段的激光以確保PC、PMMA等透明塑料可以吸收激光的能量。我們還需要使用極短焦距的激光頭將光束聚焦成光斑,這種鏡頭的特性在于鏡頭出光口的光束直徑要遠大于焦點的光斑。在激光通過上層工件時,由于光束直徑很大,因此其能量密度不足以熔化上層工件。而激光的焦點就在焊縫處,由于焦點足夠的能量密度將塑料熔化完成焊接。


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