碳黑選擇對成功進行穿透式雷射焊接與接合的重要性

碳黑選擇對成功進行穿透式雷射焊接與接合的重要性

摘要

雷射焊接因屬非接觸式加熱方法，具有週期時間短與成本較低的優點，被廣泛應用於熱塑性塑膠的接合。無論是表面加熱或穿透式加熱，碳黑都是最常用的著色劑。研究發現，顆粒聚集度與分布度低的碳黑類型，對雷射加熱最為有效。雷射線光束掃描實驗顯示，雷射頭的輕微傾斜，會使前進與後退時產生不同的加熱效果。在異質聚合物接合方面，研究發現表面紋理處理可增加附著接合面積與機械互鎖量，進而獲得更優異的接頭。

重點摘要

• 碳黑的類型很重要，而不只是重量百分比。多數文獻忽略了這項差異；不同碳黑的吸收與熱轉換能力差異極大。
• 顆粒聚集度與分布度低的碳黑，被證明對雷射加熱最為有效。
• 典型添加量為 0.1% 至 1%（重量比），在 ABS 接合中，0.1% 是最有效的添加量。
• 碳黑不是煤煙。煤煙是物質不完全燃燒時形成的產物；兩者是截然不同的材料。
• 雷射行進方向會改變結果。雷射頭的輕微傾斜，會使前進與後退的加熱效果不同。

常見問題

碳黑的類型對雷射焊接真的有影響嗎？

是的，影響相當大。多數雷射加熱文獻僅討論重量百分比，但不同類型的碳黑差異極大，會同時影響雷射能量的吸收及其轉換為熱的效率。研究發現，顆粒聚集度與分布度低的類型最為有效。

應添加多少碳黑？

通常以 0.1% 至 1%（重量比）的比例，在其中一個零件中加入雷射吸收劑，是有效的做法。在 ABS 與 PTFE/PET 薄膜的穿透式接合中，0.1%（重量比）被證明最有效，因為它能產生超過玻璃轉移溫度的較厚熔融層，使 ABS 得以流動並改善附著。

碳黑與煤煙有何差異？

兩者是截然不同的物質。煤煙是聚合物或其他物質不完全燃燒時形成的，通常為非晶質。碳黑則是結構受控的人造材料，正是這種可控性，使其雷射吸收行為可以預測。

表面紋理處理對雷射接合有幫助嗎？

有。在 ABS 表面製作凸脊或交叉網紋，顯示出良好的效果，因為紋理表面的面積較大，並可增加界面處的機械互鎖——對於異質聚合物的接合尤其有用。

為什麼雷射行進方向會影響焊接品質？

雷射線光束掃描實驗顯示，雷射頭的輕微傾斜，會使沿拉動方向前進與後退時的加熱效果不同。當接頭沿線的焊接品質不一致時，這是值得檢查的設置變數。

簡介

熱塑性塑膠的雷射焊接可透過兩種不同的加熱方法達成：表面加熱與穿透式加熱 [1-5]。無論是表面加熱或穿透式加熱，都需要在聚合物中加入著色劑以吸收雷射。碳黑是最常用的著色劑，但多數聚合物雷射加熱的文獻並未討論不同類型的碳黑。因此，本研究將回顧不同類型的碳黑及其雷射吸收性能。此外，也將透過 ABS 雷射接合的實驗研究，探討表面紋理處理與雷射行進方向對接合的影響。

雷射加熱

如前所述，表面加熱與穿透式加熱都可進行雷射加熱 [5]。如圖 1 所示，表面加熱可透過擴大雷射光束，並利用反射鏡同時加熱兩個零件的表面來完成。也可以使用雷射線光束或搭配掃描鏡的雷射光點，快速掃描並加熱零件表面，如圖 2 所示。無論採用何種方式，塑膠零件中都必須加入碳黑等吸收劑，以吸收雷射並加熱。

在穿透式雷射加熱中，一個零件對雷射透明，另一個零件則含有碳黑等添加劑，用以吸收雷射輻射並將其轉換為熱（圖 3）。穿透式雷射加熱有多種使用方式。在掃描加熱中，雷射光束透過移動雷射或使用掃描鏡，沿接合線掃描（圖 4）。在同步加熱中，雷射光束經擴大，或搭配光纖束使用多個雷射光源，同時加熱整個接合區域（圖 5）。在準同步加熱中，使用高速掃描鏡快速掃描接合區域，以單一高功率雷射光束模擬同步加熱（圖 6）。另一種選擇是搭配遮罩的同步加熱，僅加熱接合區域，並阻擋雷射光束照射到其他區域（圖 7）。在此情況下，吸收零件同樣含有碳黑等著色劑，以吸收雷射輻射並將其轉換為熱。

碳黑

在許多應用中，加入少量碳黑（通常為 0.1% 至 1%，重量比）是將雷射吸收劑加入其中一個塑膠零件的有效方法。通常人們不考慮所用碳黑的類型，只看重量百分比 [6]。然而，不同類型的碳黑差異極大，會影響雷射能量的吸收及其轉換為熱的效率。

首先，必須認識到碳黑與煤煙是截然不同的物質。煤煙是聚合物或其他物質未完全燃燒時形成的。煤煙通常是粉末狀非晶質碳，比表面積遠低於碳黑。碳黑是由重質石油產品不完全燃燒後，再萃取有機化合物製得，元素碳含量超過 97%。如表 1 所示，碳黑常依製造製程分類 [7]。顆粒聚集度與分布度低的碳黑類型，對雷射加熱最為有效。

碳黑類型與其在聚合物中的重量百分比，共同影響雷射吸收。對於特定類型的碳黑，使用較低的重量百分比（0.1% 或 0.15%）時，雷射會部分穿透進入零件，產生次表面加熱。當需要較厚的熔融層而不損傷表面時，這很有益。相反地，使用高重量百分比（0.5% 以上）時，大部分吸收發生在表面附近，因而形成較薄的熔融層。

ABS 的穿透式雷射接合

研究人員使用雷射線光束掃描，進行了 ABS 與 PTFE/PET 薄膜雷射接合的評估實驗。ABS 板以不同類型與含量的碳黑成型。結果發現，對此應用而言，使用 0.1%（重量比）的碳黑最有效，因為它能產生超過玻璃轉移溫度（Tg）的較厚熔融層。這使 ABS 更容易流動，並改善與 PTFE/PET 薄膜的附著。

在 ABS 表面製作凸脊或交叉網紋，顯示出良好的效果（圖 8）。紋理表面的面積較大，並增加了界面處的機械互鎖。以手剝離時，剝離強度整體感覺偏高，尤其是垂直於凸脊方向剝離時。這些接頭的目視檢查結果非常良好，PTFE/PET 薄膜出現大量內聚失效（圖 9）。

ABS 的加熱是使用安裝在 Fanuc 機器人上的 Leister 800 雷射線光束頭完成。雷射頭朝一個方向略微傾斜，因此沿一個方向與相反方向行進時，強度略有不同，這兩個方向稱為推方向與拉方向，如圖 10 所示。為評估傾斜的影響，使用 Pico Technology USB TC-08 熱電偶資料記錄器，量測推拉加熱期間的溫度歷程。

如圖 11 所示，推方向的溫度明顯低於拉方向。同樣地，也量測了推-推（圖 12）與拉-拉（圖 13）的溫度。在這兩種情況下，各次通過之間的溫度差異較小，且拉-拉產生的表面溫度略高。整體而言，量測到的溫度低於預期，可能是因為熱電偶較大且僅放置在表面上。使用較細的熱電偶線，並以加熱工具將尖端壓入 ABS 表面，可提高量測準確度。

結論

本研究探討熱塑性塑膠焊接與接合的雷射加熱，以確定碳黑類型與含量、表面紋理處理及雷射行進方向對接頭品質的影響。無論是表面加熱或穿透式加熱，碳黑都是最常用的著色劑。研究發現，顆粒聚集度與分布度低的碳黑類型對雷射加熱最為有效。以 ABS 進行的雷射線光束掃描實驗顯示，雷射頭的輕微傾斜，會使前進（拉方向）與後退（推方向）產生不同的加熱效果。在 ABS 與 PTFE/PET 薄膜的異質聚合物接合中，研究發現表面紋理處理可增加附著接合面積與機械互鎖量，進而獲得更優異的接頭。

參考文獻與致謝

• J. Schulz and E. Haberstroh, “Welding of Polymers Using a Diode Laser,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• H. Ponte, J. Korte, “Laser Butt Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics,” SPE ANTEC Proceedings, 1996.
• V.A. Kagan and G.P. Pinho, “Laser Transmission Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics Part II: Analysis of Mechanical Performance of Welded Nylon,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• M. Rhew, A. Mokhtarzadeh and A. Benatar, “Through Transmission Laser Welding of Polycarbonate and HighDensity Polyethylene,” SPE ANTEC Proceedings, 2003.
• D. Grewell, A. Benatar and J. Park, Editors, Plastics and Composites Welding Handbook, Hanser, 2003.
• B. Acherjee, A.S. Kuar, S. Mitra and D. Misra, “Effect of carbon black on temperature field and weld profile during laser transmission welding of polymers: A FEM study,” Optics & Laser Technology 44 (2012) 514–521.
• Orion Engineered Carbon LLC company literature.

感謝 Leister Corp. 提供雷射光束掃描器、Fanuc America 提供機器人，以及 Kimastle Corp. 提供自動化工作站。

Avraham (Avi) Benatar 為焊接工程副教授，並擔任塑膠與複合材料接合實驗室主任。他同時是焊接工程遠距教育理學碩士課程的協調人，以及工程學院全球工程領導力碩士課程的教師主任。他在麻省理工學院取得機械工程學士、碩士與博士學位。

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司——雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發創新技術並解決製造問題已超過 30 年。歡迎撥打 972.820.6777 聯絡他，或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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