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透明塑料的激光焊接

  • 时间:2021-07-17

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我们传统意义上的塑料激光焊接指的是激光穿透焊接,上层塑料要能够让激光可以穿透,下层工件要能够吸收激光的能量。因此,上层塑料一般为透光塑料,下层塑料一般为黑色的吸光塑料。1是塑料焊接的难易程度。

  

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由图1我们可以看到,最容易的是上层透明材料,下层黑色吸光材料的焊接,最难的是透明塑料与透明塑料激光的焊接和白色塑料与白色塑料的焊接。因为塑料激光焊接的原理就是上层必须是透光材料,下层是吸光材料;那么透明塑料是透光材料,是怎么样实现透明塑料与透明塑料的焊接的呢?

塑料激光穿透焊接最大的问题在于焊接透明与透明的材料,比如医疗器械应用大量使用的PC与PC之间的焊接。由于上下塑料都是激光可穿透的部件,缺乏激光吸收层,因此如果要使用塑料激光穿透焊接工艺,就必须要在焊缝处涂上Clear Weld等吸光剂,借由吸光剂吸收激光能量来融化焊缝处进行焊接。然而这一工艺很少被客户批量生产采用,原因在于一方面激光吸收剂的成本很高;另一方面,生产上多一道喷涂工艺会额外增加设备、耗材及制造风险。但是,早在2017年,华焯成功研发国内首台透明塑料激光焊接设备,而且不需添加任何吸收剂完成双透明塑料激光焊接。华焯也是目前国内唯一掌握透明激光焊接技术的生产厂家。图2是华焯的专利产品,透明塑料激光焊接机;

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透明塑料的激光焊接方式来源于塑料对于不同波段激光所表现出来的不同穿透与吸收特性。图3是不同材料对于不同波长激光的穿透率的图表。传统的塑料激光穿透焊接使用的激光波长一般在900-1000nm,可以看到在这一波段,塑料对于激光的穿透率非常高,可以达到85-95%。由于T(穿透率)+R(反射率)+A(吸收率)=1,材料对于激光的反射率可以忽略不计,因此在这一波段,塑料对于激光的吸收率非常低,只有5-10%都不到。而如果我们观察激光波段2000-2100nm,我们发现PMMA和PC等透明材料在这一波段的透光性只有5-20%,相应的对激光的吸收率就会高达80%以上。如此,如果使用2000nm左右的激光,就可以对透明的塑料材料进行激光焊接。但这又会产生另一个问题,上下两个透明的塑料都能够吸收激光的功率,如何才能实现有效的焊接呢?

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在激光打到塑料上时,如果塑料表面有很高的吸光效能,比如材料是黑色的。或者在激光的焦点处,此时大部分的激光能量都会被材料表面吸收进而熔化塑料进行焊接。如果材料在远离激光焦点的位置,激光通过的时候,能量会被塑料通体吸收,塑料发烫但不足以熔化材料。 因此,对于透明塑料的激光焊接,我们选取2000nm左右波段的激光以确保PC、PMMA等透明塑料可以吸收激光的能量。我们还需要使用极短焦距的激光头将光束聚焦成光斑,这种镜头的特性在于镜头出光口的光束直径要远大于焦点的光斑。在激光通过上层工件时,由于光束直径很大,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,由于焦点足够的能量密度将塑料熔化完成焊接。