雙用途「雷射添加劑」推動聚合物的打標與焊接

雙用途「雷射添加劑」推動聚合物的打標與焊接

在初級加工階段摻入聚合物的雙用途雷射添加劑，可對透明與不透明聚合物進行打標與穿透式焊接。新型化學添加劑（包括符合 FDA／醫療規範者）可達成高強度氣密焊接接合，以及持久的不透明打標對比。雷射打標與雷射焊接製程屬非接觸式，易於控制且環保。這些製程專為價格合理的高速雷射與設備而設計，聚合物的打標與焊接足以因應當今複雜應用的挑戰。

重點摘要

• 一種配方，兩種製程。雙用途添加劑可在同一材料中同時支援打標與穿透式焊接。
• TTLW 分為三個階段：加熱、融合與焊接，典型焊接時間為一至八秒。
• 兩個零件需具備相反的光學特性：上層必須讓該波長穿透，下層則必須在薄層內吸收該波長。
• 中等吸收率是最不利的情況，會使整個厚度受熱，導致該零件不適合作為接合處的任一側。
• 雷射焊接可提供氣密密封，無毛邊、無微粒、熱影響區極小，且不損傷零件表面。

常見問題

雷射焊接中的「穿透式」是什麼意思？

雷射穿過可透射雷射的上層零件，並被可吸收雷射的下層零件表面吸收。零件預先組裝並夾緊，使接合面緊密接觸，焊接即在該界面形成。

穿透式雷射焊接有哪些階段？

共三個階段。加熱階段中，雷射加熱界面處的吸收性聚合物，使其膨脹並提高焊接壓力。融合階段中，進一步膨脹使壓力增加，並產生少量焊接。焊接階段中，足量的熔融材料塌陷而形成真正的焊道，通常約為 0.13 mm。

含玻璃纖維的材料可以進行雷射焊接嗎？

含玻璃纖維最高達 50% 的填充材料已有成功焊接的案例，但無法達成氣密密封。填充料、添加劑與顏料都會改變聚合物對雷射光束的反應，因此雷射焊接對材料適用性的敏感度，高於任何其他接合製程。

為什麼選擇雷射焊接，而非超音波或熱板焊接？

雷射焊接為非接觸式，僅以平滑玻璃板輕度夾持，因此不會損傷零件，也不會傳遞振動。焊道位於表面下方，幾乎看不見，熱影響區非常小，因此預先安裝的脆弱元件得以保全，無需修除毛邊，並可達成氣密的防漏密封。

不同種類的塑膠可以雷射焊接在一起嗎？

可以，只要符合必要的光學與熱學條件即可。各種聚合物對三種主要焊接波長的穿透率各不相同，因此必須將兩種材料一併評估，而非分別評估。

產品應用

透明、半透明與不透明的有色聚合物，包括尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯、聚烯烴、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯類、熱塑性聚胺酯（TPU）與熱塑性彈性體（TPE），皆採用不含重金屬、經 FDA／歐洲食品安全局（EFSA）核准的添加劑獨特配製，以達成高對比度的打標品質，包括雷射焊接產品（圖 1）。聚合物的透明度、光譜穿透率與基本物理特性不受影響。非接觸式數位雷射打標取代了昂貴的黏貼標籤與油墨化學印刷製程，達到具成本效益、環保且外觀更優異的成果。

雷射打標的表面反應機制

配合近紅外線（NIR）雷射（波長 1,060–1,080 nm）使用的雷射化學添加劑，在配方上已有長足進展，可相容於光纖（鐿）雷射、釩酸鹽雷射與 Nd:YAG 雷射。多數聚合物在沒有化學添加劑的情況下不具備近紅外線吸收特性。可被雷射打標的聚合物，是能吸收雷射光並將光能轉換為熱能的聚合物。添加劑、填充料、顏料與染料可用來增強對雷射能量的吸收，以產生局部色彩變化。依所需的打標對比度與功能，需配置截然不同的配方化學與雷射光學／設定參數。

圖 1 展示兩種常見的表面反應機制。第一種是熱化學「碳化」或「炭化」：基材吸收的能量，使吸收點周圍材料的局部溫度升高到足以造成聚合物熱降解。標記的深淺取決於吸收的能量，以及材料特有的熱降解途徑。透過優化雷射設定，可將表面碳化殘留降至最低。

第二種表面反應是「發泡」，這是透過添加劑所產生的化學變化，該添加劑在降解時釋放水蒸氣，使聚合物發泡。發泡過程中，雷射能量被緊鄰發泡劑的添加劑吸收。吸收劑產生的熱使發泡劑降解並釋放水蒸氣。藉由嚴格控制雷射操作參數，可在深色基材上產生高品質且耐久的淺色「白色」標記。

第三種反應（圖中未顯示）是利用雷射能量加熱／降解混合色料中的其中一種色料，造成色彩變化。例如碳黑與穩定無機色料的混合物：加熱時碳黑被去除，留下無機色料。這類混合色料系統取決於特定色料的穩定性，並非所有色彩變化皆可實現。碳黑配方在雷射焊接中不可或缺。

用於打標與焊接的雷射添加劑化學

近紅外線雷射添加劑可提高對比度，並可透過改變雷射設定參數進一步增強。聚合物本身具有產生「深色」或「淺色」打標對比的固有特性。部分含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的色料化合物也能吸收雷射光，並可改善打標對比度。即使同屬一個聚合物家族，每種聚合物等級也可能產生不同的結果。添加劑配方不得具有毒性，也不得對產品的外觀、物理或功能特性造成不良影響。

與油墨印刷製程（移印／網版印刷與噴墨）相比，雷射添加劑可節省成本，與未優化的材料相比，打標速度可提升 20% 以上。雷射添加劑以顆粒與粉末形式供應。顆粒產品可直接與聚合物樹脂摻混，粉末形式則製成色母粒。大多數都易於分散在聚合物中。依添加劑與聚合物而定，添加濃度（以最終零件的重量計）介於 0.01% 至 4.0% 之間。

顆粒與粉末形式都可摻入預先混煉的著色材料或色母粒中。選擇何種添加劑，取決於聚合物組成、基材顏色、期望的打標對比色，以及最終用途的認證要求。在擠出、射出成型與熱成型作業中，預先混煉著色的材料比色母粒更能獲得均勻性。應避免以人工混合。模流與澆口類型／位置是重要的因素。雷射添加劑必須均勻分布／分散於每個零件中，才能達到最佳的打標效果。

部分添加劑含有摻銻氧化錫與三氧化二銻的混合物，可能使原色（未著色）基材的不透明度帶有「灰色」色調。其他添加劑可能含有鋁顆粒、混合金屬氧化物與專有化合物。可使用顏料與染料調整顏色，以達成最終的配色外觀。依市售供應形式，特定添加劑（同樣用於雷射焊接）已取得 FDA 核准，可依 21 CFR 178.3297（聚合物著色劑）之條件 A 至 H 用於食品接觸與食品包裝。歐盟也有類似的合規聲明。認證條件依聚合物類型、添加濃度門檻及直接或間接接觸而異。將經 FDA 核准的添加劑摻入「最終零件」後，若再經進一步驗證，可達成醫療器材的生物相容性。

在雷射添加劑添加／配色化學的過程中，成品所含的雷射添加劑少於計算量並不罕見。此問題幾乎都與擠出或成型過程中分布不均有關。只要對成型機進行簡單調整，例如提高背壓與螺桿轉速，即可解決大多數問題。雷射添加劑必須均勻分布／分散於每個零件中，才能達到最佳的打標效果。在擠出、射出成型與熱成型作業中，預先混煉著色的材料比色母粒更能獲得均勻性。應避免以人工混合。模流與澆口類型／位置是重要的因素。

穿透式雷射焊接原理

「穿透式」一詞源自雷射穿過可透射雷射的上層零件，抵達可吸收雷射的下層零件表面，如圖 2 所示。塑膠的穿透式雷射焊接（TTLW）包含三個階段。在 TTLW 中，零件預先組裝並夾緊，使接合面之間緊密接觸。本文使用高功率二極體雷射（波長 λ = 800–1,000 nm）與固態雷射（鐿光纖雷射與 Nd:YAG 雷射，λ = 1,060–1,080 nm）。

在加熱階段，雷射能量加熱界面處可吸收雷射的聚合物，使零件膨脹，進而提高焊接壓力。在光束焦點處，雷射功率最高，零件在該處開始熔化，形成熔融區。這是第二階段（融合階段）的開始。零件進一步膨脹，產生額外的膨脹並使壓力隨之升高。此時已發生少量焊接。

焊接階段是最後階段。此時產生足量的熔融材料，形成真正的焊道。熔融材料出現塌陷，情形與熱板或熔融焊接相似。在大多數應用中，塌陷量約為 0.13 mm（0.005 吋）。大多數應用的典型焊接時間約為一至八秒，較大的零件可能需要更長時間。TTLW 雷射焊接主要有四種製程：輪廓焊接、遮罩焊接、同步焊接與準同步焊接。

待焊接的兩個零件，在特定焊接波長下必須具備不同的光學吸收特性。上層可透射雷射的零件，必須盡可能讓該波長穿透，下層可吸收雷射的零件，則必須在薄層內盡可能吸收。這樣的組合最為節能，因為界面處吸收大量能量，且可能在下層零件軟化到足以焊接之前，就使上層零件劣化。過高的反射率也會增加焊接所需的能量。

與任何其他接合製程相比，雷射焊接對材料適用性更為敏感。理論上，雷射焊接可焊接所有能讓雷射光束穿透的熱塑性塑膠。然而，各聚合物對雷射焊接所用三種主要波長雷射的光穿透能力各不相同。此外，特定聚合物對雷射光束的反應，會因填充料、添加劑與顏料的存在而改變。

高吸收率的材料最適合作為 TTLW 焊接的下層，因為它們在焊接界面吸收大部分能量，形成理想的薄層受熱表面，最適合雷射焊接。吸收率處於中等範圍的材料可能造成問題，因為它們會在整個材料厚度內吸收雷射能量，導致整個材料厚度受熱。這類材料讓能量穿透的量極少，因此不適合作為 TTLW 雷射焊接的上層材料。再者，它們在頂緣吸收的能量不多，因此也不適合選作下層材料。含玻璃纖維最高達 50% 的填充材料已有成功焊接的案例，但無法達成氣密密封。

TTLW 的主要優點包括：

• 非接觸焊接。雷射焊接使用平滑的玻璃板，以 100 磅以下的輕度夾持力固定待焊接的零件，焊接工具不與零件接觸。因此，焊接零件表面不會受損，也不需要可能損壞精密零件的焊接壓力。
• 表面下焊接。焊接發生在兩個零件的界面。透明零件的焊道幾乎看不見，不透明零件的焊道則完全看不見。焊道可位於表面之下不遠處，也可深入零件內部。
• 精密焊接。雷射焊道的尺寸與位置可非常精確，且不會將振動傳遞至待焊接的零件。在需要雷射與焊件之間產生相對運動的製程版本中，移動的是雷射。因此，雷射焊接是所有焊接製程中最精密的。
• 熱影響區極小。焊點非常小，熱影響區相當集中。因此，可在非常靠近其他元件的位置進行焊接而不影響這些元件，使得已預先裝入敏感與脆弱零件的次組件也能焊接。此外，熱造成的變形與劣化極為有限，殘留應力也得以降低。
• 可焊接不同種類的塑膠。符合必要條件的不同種類塑膠，可以彼此焊接。
• 無毛邊。雷射焊接的焊道完全封閉，不會產生需要修除的毛邊，也沒有鬆散的微粒。
• 氣密密封。雷射焊接可形成氣密、防漏氣的焊道。
• 能源效率。相較於其他焊接製程，雷射焊接的能源效率很高。這也意味著不會產生必須從工作場所排除的多餘熱量。

結論

摻入聚合物的雙用途雷射添加劑，可帶來更優異的打標對比度、線條邊緣細節與速度。這些添加劑可優化同種與異種熱塑性塑膠的雷射焊接。價格合理的光纖雷射技術之進步功不可沒。這些效益能迅速抵銷添加劑所增加的材料成本。針對雷射打標與焊接優化的材料科學化學，需要在聚合物、色料、顏料與染料方面具備專業知識，涵蓋溶解度、粒徑、門檻濃度限制、配色與法規認證（GRAS、FDA 直接／間接食品接觸）。聚合物的雷射打標與 TTLW 足以因應當今應用的挑戰。

參考資料

• Scott R. Sabreen，“FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser，The Sabreen Group Inc. 特約顧問。焊接摘錄自 Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009

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，服務範圍包括雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎來電 972.820.6777，或瀏覽 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與其聯絡。

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