炭黑选择：实现透射式激光焊接与连接的关键

炭黑选择：实现透射式激光焊接与连接的关键

摘要

激光焊接是一种非接触加热方法，周期短、成本低，广泛用于热塑性塑料的连接。无论是表面加热还是透射加热，炭黑都是最常用的着色剂。研究发现，颗粒团聚度低、分布性好的炭黑类型对激光加热最为有效。激光线光束扫描实验表明，激光头的轻微倾斜会使前进与后退时的加热效果不同。在异种聚合物连接方面，研究发现表面纹理化可增大附着接合面积并增强机械互锁，从而获得更优的接头。

要点总结

• 炭黑的类型很重要，不仅仅是质量百分比。多数文献忽略了这一区别；不同炭黑的吸收和热转换性能差异很大。
• 事实证明，颗粒团聚度低、分布性好的炭黑对激光加热最为有效。
• 典型添加量为 0.1% 至 1%（质量分数），在 ABS 连接中，0.1% 是最有效的添加水平。
• 炭黑不是烟灰。烟灰是物质不完全燃烧时形成的产物，二者是截然不同的材料。
• 激光行进方向会改变结果。激光头的轻微倾斜会使前进与后退时的加热效果不同。

常见问题

炭黑的类型对激光焊接真的很重要吗？

是的，影响很大。多数激光加热文献只讨论质量百分比，但不同类型的炭黑差异很大，会同时影响激光能量的吸收及其向热能的转换。研究发现，颗粒团聚度低、分布性好的类型最为有效。

应添加多少炭黑？

通常按质量计添加 0.1% 至 1%，是将激光吸收剂加入其中一个零件的有效方式。在 ABS 与 PTFE/PET 薄膜的透射式连接中，按质量计 0.1% 的添加量最有效，因为它能产生更厚、温度超过玻璃化转变温度的熔融层，使 ABS 得以流动并改善附着力。

炭黑与烟灰有何区别？

二者是截然不同的物质。烟灰是聚合物或其他物质不完全燃烧时形成的，通常为无定形。炭黑是结构可控的人工制造材料，正是这种可控性使其激光吸收行为可预测。

表面纹理化对激光连接有帮助吗？

有帮助。将 ABS 表面加工出凸脊或交叉网纹，结果令人鼓舞，因为纹理化表面面积更大，并能增强界面处的机械互锁——对异种聚合物的连接尤其有用。

为什么激光行进方向会影响焊接质量？

激光线光束扫描实验表明，激光头的轻微倾斜会使沿拉动方向前进与后退时的加热效果不同。当接头上焊接质量不一致时，这是一个值得检查的设置变量。

引言

热塑性塑料的激光焊接可通过两种不同的加热方式实现：表面加热和透射加热 [1-5]。无论表面加热还是透射加热，都需要向聚合物中添加着色剂以吸收激光。炭黑是最常用的着色剂，但多数聚合物激光加热文献并未讨论不同类型的炭黑。因此，本研究将回顾不同类型的炭黑及其激光吸收性能。此外，还将通过 ABS 激光连接的实验研究，讨论表面纹理化和激光行进方向对连接的影响。

激光加热

如前所述，表面加热和透射加热都可实现激光加热 [5]。如图 1 所示，表面加热可通过扩大激光束并利用反射镜同时加热两个零件的表面来实现。也可以使用激光线光束或带扫描镜的激光光斑，对零件表面进行快速扫描加热，如图 2 所示。无论哪种方式，都需要在塑料零件中加入炭黑等吸收剂，以吸收激光并产生热量。

对于透射式激光加热，其中一个零件对激光透明，另一个零件含有炭黑等添加剂，用于吸收激光辐射并将其转化为热能（图 3）。透射式激光加热有多种方式。在扫描加热中，激光束通过移动激光器或使用扫描镜扫描接缝线（图 4）。在同步加热中，激光束被扩展，或将多个激光源与光纤束配合使用，同时加热整个接合区域（图 5）。在准同步加热中，使用高速扫描镜快速扫描接合区域，用单个高功率激光束模拟同步加热（图 6）。另一种方式是带掩模的同步加热，只加热接合区域，同时阻止激光束照射其他区域（图 7）。在这些方式中，吸收部件同样含有炭黑等着色剂，用于吸收激光辐射并将其转化为热能。

炭黑

对于许多应用，添加少量炭黑（通常为 0.1% 至 1%，质量分数）是将激光吸收剂加入其中一个塑料零件的有效方式。通常人们不考虑所用炭黑的类型，只考虑质量百分比 [6]。然而，不同类型的炭黑差异很大，会影响激光能量的吸收及其向热能的转换。

首先必须认识到，炭黑和烟灰是截然不同的物质。烟灰是聚合物或其他物质未完全燃烧时形成的。烟灰通常是粉末状的无定形碳，比表面积远低于炭黑。炭黑由重质石油产品不完全燃烧后提取有机化合物制得，元素碳含量超过 97%。如表 1 所示，炭黑通常按制造工艺分类 [7]。颗粒团聚度低、分布性好的炭黑类型对激光加热最为有效。

炭黑类型与其在聚合物中的质量百分比共同影响激光吸收。对于给定的炭黑类型，使用较低的质量百分比（0.1% 或 0.15%）时，激光会部分透入零件内部，产生亚表面加热。当需要更厚的熔融层而又不希望表面降解时，这一点很有益。反之，使用较高的质量百分比（0.5% 及以上）时，大部分吸收发生在表面附近，形成的熔融层较薄。

ABS 的透射式激光连接

采用激光线光束扫描，对 ABS 与 PTFE/PET 薄膜的激光连接进行了评估实验。ABS 板材由含不同类型和含量炭黑的材料成型。结果发现，对该应用而言，0.1% 质量分数的炭黑最有效，因为它产生了温度超过玻璃化转变温度（Tg）的更厚熔融层，使 ABS 更容易流动，并改善了与 PTFE/PET 薄膜的附着力。

将 ABS 表面加工出凸脊或交叉网纹，结果令人鼓舞（图 8）。纹理化表面面积更大，并增强了界面处的机械互锁。手动剥离时强度总体感觉较高，尤其是垂直于凸脊方向剥离时。对这些接头的目视检查结果非常理想，PTFE/PET 薄膜出现了大面积的内聚失效（图 9）。

ABS 的加热使用安装在 Fanuc 机器人上的 Leister 800 激光线光束头完成。激光头向一个方向略微倾斜，因此沿一个方向行进与沿相反方向行进时强度略有不同，分别称为推送和拉动方向，如图 10 所示。为评估倾斜的影响，使用 Pico Technology USB TC-08 热电偶数据记录仪测量推拉加热过程中的温度历程。

如图 11 所示，推送方向的温度明显低于拉动方向。同样，也测量了推-推（图 12）和拉-拉（图 13）的温度。在这两种情况下，各道次之间的温度差异都较小，其中拉-拉产生的表面温度略高。总体而言，测得的温度低于预期，可能是因为热电偶较大且只是放在表面上。使用更细的热电偶丝，并用加热工具将其尖端压入 ABS 表面，可提高测量精度。

结论

本研究对热塑性塑料焊接与连接的激光加热进行了研究，以确定炭黑类型和含量、表面纹理化以及激光行进方向对接头质量的影响。无论表面加热还是透射加热，炭黑都是最常用的着色剂。研究发现，颗粒团聚度低、分布性好的炭黑类型对激光加热最为有效。ABS 的激光线光束扫描实验表明，激光头的轻微倾斜会使向前（或拉动方向）与向后（或推送方向）行进时的加热效果不同。在 ABS 与 PTFE/PET 薄膜的异种聚合物连接中，研究发现表面纹理化可增大附着接合面积并增强机械互锁，从而获得更优的接头。

参考文献与致谢

• 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.

感谢 Leister Corp. 提供激光束扫描仪，感谢 Fanuc America 提供机器人，感谢 Kimastle Corp. 提供自动化工作单元。

Avraham (Avi) Benatar 是焊接工程副教授，兼塑料与复合材料连接实验室主任。他还是焊接工程远程教育理学硕士项目的协调人，以及工学院全球工程领导力硕士项目的教师主任。他在麻省理工学院获得机械工程学士、硕士和博士学位。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与表面精饰及产品安全。Sabreen 开发开创性技术、解决制造难题已 30 多年。可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 联系他。

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