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激光塑料焊接

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透明塑料激光焊接的基本原理

我們傳統(tǒng)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,上層塑料部件一般為本色塑料,下層塑料一般為黑色塑料。

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(yī)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,借助吸光劑吸收激光能量來融化焊縫進行焊接。

然而這一工藝很少被客戶批量生產(chǎn)采用,原因在于一方面激光吸收劑會產(chǎn)生額外的耗材成本,增加生產(chǎn)成本;另一方面,生產(chǎn)上多一道噴涂工藝會額外增加設備、耗材及制造風險。

最近幾年,新的塑料激光焊接技術解決了透明和透明塑料的焊接問題。這一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(xiàn)出來的不同穿透與吸收特性。

上圖是不同材料對于不同波長激光的穿透率。

傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)有效的焊接呢?

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(fā)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,由于焦點有足夠的能量密度,于是將塑料熔化完成焊接。


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