塑料激光焊接

聚合物激光焊接与连接全解决方案

激光焊接可通过两种加热方式连接热塑性塑料：表面加热和透射式加热。透射式加热有时称为"透射式激光焊接"（TTLW）或"透射式红外焊接"（TTIr）。激光焊接是实现密封气密焊缝的最佳工艺之一。表面加热可通过扩展激光束并利用反射镜同时加热两个零件表面来实现，也可使用激光线束或激光点配合扫描反射镜对零件表面进行快速扫描加热。

在透射式激光加热中，一个零件对激光透明，另一个零件含有炭黑等吸收添加剂，可将激光辐射转化为热量。具有高吸收率的材料非常适合用作透射式激光焊接的下层零件，因为它们能在焊接界面处吸收大部分能量，形成理想的薄加热表面层。部分光学透明塑料和薄膜可使用1500nm至约2000nm（2微米）范围内的较长波长进行体积加热焊接。

了解更多关于激光焊接碳黑选型的信息

碳黑选型

实现高质量透射式激光焊接与连接

激光焊接因其非接触加热方式、短周期和低成本的优势，广泛应用于热塑性塑料的连接。无论是表面加热还是透射式加热，炭黑都是最常用的着色剂。研究发现，具有低颗粒团聚和分布的炭黑类型对激光加热效果最佳。

激光线束扫描实验表明，激光头的轻微倾斜会导致前向和后向运动时产生不同的加热效果。对于异种聚合物连接，研究发现表面纹理处理可增加粘接面积和机械互锁量，从而获得更优质的接头。

塑料激光焊接服务 — SABREEN 解决方案

SABREEN 凭借卓越的专业知识，确保塑料激光焊接达到最高水准。在激光添加剂、聚合物与着色剂、激光光源、系统设计、制造与集成、法规合规以及注塑成型工艺等领域拥有逾40年经验。

• 定制激光配色配方与复合材料、法规合规、样品原型——母粒、预混合材料（预着色）、激光层压板。
• 针对聚合物-着色剂体系，优化激光光源、波导特性、光学元件及光束传输方案。NIR波长1060–1080nm镱光纤、Vanadate、倍频532nm绿光或UV 355nm。
• 激光设备系统设计、交钥匙系统集成与培训、机器视觉、定制HMI、工艺文档。
• 现场问题解决（全球任意地点）、激光工艺分析与系统优化、定制矢量图稿。
• 激光安全认证、完整应用（含设计与CDRH Class 1外壳）、内部审计激光安全官（LSO）。
• 塑料注塑成型与分析检测、模流分析、添加剂-着色剂分散/分布。

全面解决方案

聚合物-着色剂材料科学、注塑成型、激光技术、系统集成与培训。独特配方可覆盖广泛的激光技术谱系。我们的激光光源选型还使客户能够按需对金属进行打标/雕刻。

激光添加剂

突破性添加剂可产生深黑色、浅色及定制色对比度。添加剂在成型过程中以色母粒或预混合材料的形式与聚合物共混。极低添加量不影响任何聚合物性能。提供FDA/EFSA认证版本。

全新突破性技术

新型单一配方添加剂可同时产生深黑色和不透明白色激光打标对比度，是替代标签和吹塑瓶及注塑产品油墨印刷的理想技术。

汽车内饰操纵杆

获奖员工智能徽章，RFID。

汽车无盖燃油加注口

医疗导管，符合FDA侵入性手术规范。飞行激光打标取代油墨印刷。

深黑色激光打标对比度。新型添加剂符合FDA标准，不含重金属锑-锡氧化物/三氧化锑。适用于动物用途。

无衬垫饮料瓶盖飞行激光打标。符合FDA标准的添加剂。打标速度每分钟2,000个瓶盖。适用于HDPE、PE、聚丙烯等材料。

聚烯烃医用注射器，FDA认证激光添加剂，替代移印工艺

昼夜激光打标，水性涂层

激光打标表面反应

融入证件/身份证的专用激光添加剂，用于产品防伪

激光添加剂突破

SABREEN 发明专利

激光打标术语

塑料"激光打标"是一种非接触式数字化工艺，以极小的材料穿透深度在目标基材表面施加永久性信息。信息通常以字母数字文本、符号、图形、标志、示意图、条形码、机器视觉码等形式呈现。光束转向镱光纤激光器（以及前代Nd:YAG弧灯和二极管泵浦激光器）工作波长为1060–1080nm（近红外），其波导特性与发射波长及功率性能（峰值与平均功率）完美匹配。飞行光学是零件打标的另一种方式。特定聚合物材料的特定颜色也可使用较短波长532nm（倍频）和UV 355nm进行打标。

光束转向激光打标的基本机制（波长1060–1080nm）是用高能辐射源照射聚合物。辐射能量被材料局部吸收并转化为热能，热能随即在材料基体中引发反应。近红外波长区域可能发生多种反应，包括炭化、烧蚀和化学变化。根据所需打标对比度，可选择截然不同的化学体系和激光系统参数，以实现预期反应类型。

碳化或炭化反应发生在吸收的能量使吸收位点周围材料的局部温度升高至足以引发聚合物热降解的水平时。在有氧条件下，聚合物发生燃烧；而在工件内部，有限的氧气供应导致聚合物炭化，形成黑色标记。标记的深浅取决于吸收的能量及材料的热降解路径。

示例 — ABS 电脑键帽

塑料激光蚀刻（又称"烧蚀"）是一种非接触式数字化工艺，激光束通过气化或熔化去除基材表面材料，穿透深度极小。激光蚀刻深度通常不超过0.001英寸。

示例 — 昼夜双效汽车按键

昼夜工艺的应用是去除材料层以露出特定颜色层。示例演示在白色底涂层上覆涂一层或多层黑色涂层的工艺。基础聚合物通常为透明聚碳酸酯或ABS，均为无定形聚合物，可传导来自LED光源的（背）光。较深的基材打标可视为"雕刻"，而非仅对表面进行蚀刻。

背光"昼夜"汽车按键涂层与激光烧蚀

激光雕刻比激光蚀刻和激光打标的加工深度更大。工作波长10.6μm的连续波CO₂激光器通常用于聚合物的直接无色雕刻。另一种雕刻应用是多层选择性颜色层雕刻（芯色与表面色），例如名牌、标签和标识。

功率密度是聚焦激光光斑尺寸的函数（单位面积激光功率，W/cm²），与激光的原始输出功率不同。对于给定焦距镜头和激光波长，聚焦光斑尺寸是激光光束发散角的函数，由激光配置、模式选择光阑尺寸和扩束器（准直器）放大倍率决定。

脉冲重复频率（通过声光Q开关）和峰值功率密度是形成标记、实现最佳对比度与速度的关键参数。低频率下的高峰值功率能迅速升高表面温度，气化材料同时向基材传导极少热量。随着脉冲重复频率增加，较低的峰值功率产生极少气化但产生更多热量。光束速度（激光束在工作表面的扫描速度）也是关键因素。

激光添加剂可提高对比度，并可通过调整激光参数进一步增强。聚合物本身具有产生"深色"或"浅色"打标对比度的内在特性。含少量二氧化钛（TiO₂）和炭黑的着色剂化合物在某些情况下也可吸收激光并改善打标对比度。即使在同一聚合物家族内，不同聚合物牌号也可产生不同结果。添加剂配方不得具有毒性或对产品外观、物理及功能特性产生不利影响。

与油墨印刷工艺（移印/丝印和喷墨）相比，激光添加剂可节省成本，与非优化材料配方相比打标速度至少提高15%。激光添加剂以颗粒和粉末形式供应。颗粒产品可直接与聚合物树脂共混，粉末则需转化为母粒。大多数添加剂易于在聚合物中分散。根据添加剂和聚合物的不同，最终零件中的添加量（按重量）范围为0.01%至4.0%。

颗粒和粉末形式均可混入预混合着色材料或色母粒中。添加剂的选择取决于聚合物组成、基材颜色、所需打标对比度颜色以及最终用途认证要求。部分添加剂含有锑掺杂氧化锡和三氧化锑的混合物，可能使天然（未着色）基材出现"灰色"色调。其他添加剂可能含有铝粒子、混合金属氧化物和专有化合物。通过颜料和染料进行色彩调整，以实现最终配色外观。

部分商业供应的添加剂（也用于激光焊接）已获得FDA批准，可在21 CFR 178.3297《聚合物着色剂》A-H条件下用于食品接触和食品包装。欧盟也有类似的合规声明。认证条件针对聚合物类型、添加量阈值以及直接或间接接触具体规定。混入"最终零件"的FDA批准添加剂经进一步验证，可实现医疗器械的生物相容性（参考国际标准ISO-10993）。

实现更快打标速度

零件打标所需时间取决于聚合物基材、绘制矢量线条数量以及激光束/检流计扫描头绘制所有线条的速度。激光软件和矢量填充类型（单向、双向或蛇形）也会影响打标时间。

最新独立研究表明，在极低浓度（通常为0.01%至2.0%）下加入激光添加剂配方，可统计显著地提高打标速度。

右图显示两种高密度聚乙烯的热重分析（TGA）曲线。两种聚合物呈现不同的热降解温度——即产生激光标记的过程。高温聚合物需要更多激光能量、更低打标速度或更多吸收性添加剂，才能达到相同的标记外观。

两种HDPE样品从室温至1000°C的热重分析（TGA）曲线，显示热降解温度差异。HDPE B比HDPE A更易打标且速度更快。

主要成型操作

完成"激光优化"材料科学研究（包括确定最佳对比度、色彩及激光参数）后，下一步是在正确的稀释比例下使用实际生产模具进行成型试验。此步骤对于确保激光优化色彩基体的均匀分散与分布至关重要。成型后，对实际产品零件进行激光打标，以确认原始结果。

一种方法是将光束转向激光器编程为连续打标（扫描）整个产品表面。左图（从左至右）显示注塑成型书写笔的金色-黑色色彩激光打标（左）、中间两张图显示色彩分布不均，最右图显示优异的均匀分布效果。

工艺注意事项

在激光添加剂加载/配色化学过程中，成品零件中的激光添加剂含量低于计算量的情况并不罕见。此问题几乎总与挤出或成型过程中分布不均有关。对成型机进行简单调整（如增大背压和螺杆转速）即可解决大多数问题。激光添加剂在每个零件中的均匀分散/分布对于实现最佳打标性能至关重要。对于挤出、注塑和热成型工艺，预混合材料比色母粒具有更好的均匀性。应避免手工混合。模流和浇口类型/位置是重要影响因素。

激光器之间存在显著差异！激光器制造商集成到系统中的硬件和软件组件对打标质量、速度和多功能性有重大影响。采购激光系统时，请记住并不存在单一的通用解决方案。每个应用都具有独特性，需考虑塑料基材组成与颜色、打标质量、速度、激光效率、对比度（深底浅标、浅底深标或彩色）以及系统总成本。

光束质量输出模式是指激光束内的能量分布，对打标性能至关重要。激光器制造商提供多模式（MM）、TEM₀₀（横向电磁模式）或介于两者之间的低阶模式（LOM）等输出模式。这些输出模式与激光束的发散角和功率分布等因素相关。TEM₀₀激光束可聚焦至聚焦光学器件所允许的最小光斑，且能量分布在中心最强，从中心到边缘均匀衰减。TEM₀₀激光输出提供最高光束质量，而多模式（MM）激光输出提供最差光束质量。

参见下图。低阶模式和TEM₀₀模式激光器特别适合用于单笔画字母数字、填充TrueType字体和复杂图形的高速矢量打标，因为它们能够聚焦到极小光斑并实现极高功率密度，从而快速绘制边缘清晰的细线条。大多数塑料应用最适合使用近TEM₀₀或TEM₀₀激光束。

功率密度是聚焦激光光斑尺寸的函数（单位面积激光功率，W/cm²），与激光的原始输出功率不同。对于给定焦距镜头和激光波长，聚焦光斑尺寸是激光光束发散角的函数，由激光配置、模式选择光阑尺寸和扩束器（准直器）放大倍率决定。脉冲重复频率（通过声光Q开关）和峰值功率密度是形成标记、实现最佳对比度与速度的关键参数。

低频率下的高峰值功率能迅速升高表面温度，气化材料同时向基材传导极少热量。随着脉冲重复频率增加，较低的峰值功率产生极少气化但产生更多热量。光束速度（激光束在工作表面的扫描速度）也是关键因素。

激光控制软件与打标系统中的任何硬件组件同等重要。先进的软件算法能够实现前所未有的速度。光束转向激光打标机有时被错误地理解为（桌面）打印机，实际上它们是绘图仪。激光不是通过放置单个像素来创建字母或图形，而是像用铅笔和纸书写一样绘制线条。无论最初创建激光打标对象所用的输入文件格式如何，所有打标最终都简化为其最基本形式——即由扫描头绘制并由激光打标的矢量线列表。设计工程师常用的复杂输入文件格式不一定能产生最佳（或最快）的矢量激光打标效果。激光打标设备系统必须安全并符合ANSI Z136标准。

光束转向Nd:YAG激光打标机（弧灯和二极管光源）利用安装在高速计算机控制检流计上的反射镜，将激光束引导到待打标表面，如同用铅笔和纸书写。

每个检流计（一个在Y轴，一个在X轴）提供打标区域内的光束运动。平场镜头组件将激光聚焦以在基材表面实现高功率密度。右图显示使用计算机控制检流计的光学光束传输系统。

从本质上说，光纤激光器与其他固态打标激光器不同。在光纤激光器中，产生激光束的增益介质分散在专用光纤电缆中。与光纤传输激光器不同，整个光束路径从光纤电缆到光束传输光学元件全程在光纤内。

激光技术的进步对FDA批准激光添加剂最新一代的快速发展起到了决定性作用。纳秒镱光纤激光器的出现是打标、焊接和切割领域最重要的进展之一。从本质上说，光纤激光器与其他固态打标激光器不同。在光纤激光器中，产生激光束的增益介质分散在专用光纤电缆中。与光纤传输激光器不同，整个光束路径从光纤电缆到光束传输光学元件全程在光纤内。

光纤激光器的光束质量和亮度优于Nd:YAG激光器。光束质量的一个衡量指标是M²。M²值越小，光束质量越好，其中M²=1为理想高斯激光束。光束质量优异的激光器可聚焦到更小光斑，从而实现高能量密度。固定脉冲和可变脉冲（MOPA）光纤激光器，脉冲能量最高可达1mJ，高功率密度可对许多历史上难以打标的聚合物进行打标。Vanadate激光器也具有小M²值，脉冲宽度比固定光纤和YAG激光器更短。脉冲持续时间影响热量和碳化进入材料的程度，较短的脉冲宽度对敏感聚合物应用可能具有优势。

IPG Photonics 是高性能光纤激光器领域的领先开发商和制造商，提供固定脉冲（有时称为"Q开关"）和可变短脉冲（MOPA）激光器。应用开发具有高度特异性。选择集成哪种激光器类型取决于激光输出特性与优化聚合物材料的相互作用。参见下图，显示 IPG Photonics 固定和可变（MOPA）脉冲宽度镱光纤激光器的时域脉冲形状。

图1. IPG 固定脉冲宽度激光器在100 ns脉冲宽度下的时域脉冲形状

设置固定脉冲宽度光纤激光器进行打标时，需设定两个输入参数。

1）脉冲重复频率（通常称为脉冲频率）

2）泵浦功率百分比（100%指泵浦二极管的最大可能电气输入）

图2. IPG MOPA激光器在4 ns脉冲宽度下的时域脉冲形状

设置可变短脉冲MOPA光纤激光器进行打标时，需设定三个输入参数。

1）脉冲持续时间（通常称为脉冲宽度）

2）脉冲重复频率（脉冲频率）

3）泵浦功率百分比（100%指泵浦二极管的最大可能电气输入）

对于前页的两个图表，特定的参数输入组合控制激光束的输出特性，即脉冲能量、峰值功率（脉冲能量的最高瞬时峰值，J/脉冲持续时间）和平均功率（平均功率，W = 脉冲能量，J × 脉冲重复频率，Hz）。

脉冲重复频率和峰值功率密度是形成标记、实现最佳对比度与速度的关键参数。功率与脉冲重复频率的算术曲线成反比关系。低频率下的高峰值功率能迅速升高表面温度，气化材料同时向基材传导极少热量。随着脉冲重复频率增加，较低的峰值功率产生极少气化但传导更多热量。影响打标对比度和质量的其他因素当然包括光束速度和矢量线间距。

"飞行"激光打标应用于成型和挤出产品，如电线/电缆、管材和管道。聚烯烃合成葡萄酒软木塞和无衬垫饮料瓶盖底部促销标记的打标速度可达每分钟2,000件（字母数字文本和图形）。打标速度取决于众多变量，包括聚合物类型、基材颜色、激光添加剂类型与加载量、线缆尺寸（重量）、激光类型与功率、软件、字母数字字符数量、字高、文本字符串长度、字符间距、条形码/数据矩阵、标志/图形、单笔画或填充TrueType字体、填充方向以及连续或重复文本。使用正确配方的添加剂-着色剂可确保打标表面的"功率密度"不成为限制因素，从而使光束转向检流计以最大速度运行。

由于影响飞行生产打标能力的因素极为复杂，每个应用都必须进行精确分析，几乎没有可推广的通用规律。但出于一般性参考，请考虑以下尼龙聚合物示例：50W光纤激光器，254mm平场镜，100个字母数字字符，字高2mm，重复文本字符串长度14.68英寸，打标时间0.232秒。计算得出的速度约为每分钟315线性英尺。

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