双功能“激光添加剂”推动聚合物的打标与焊接

双功能“激光添加剂”推动聚合物的打标与焊接

在一次加工过程中混入聚合物的双功能激光添加剂，可实现对透明和不透明聚合物的打标与透射焊接。包括符合 FDA/医疗标准的新型化学添加剂，能够实现高强度气密密封焊接接头和持久的不透明打标对比度。激光打标和激光焊接工艺均为非接触式，易于控制且环保。聚合物的打标和焊接专为经济实惠的高速激光器和设备而设计，能够应对当今复杂应用的挑战。

要点

• 一种化合物，两种工艺。双功能添加剂可在同一种材料中同时支持打标和透射式焊接。
• TTLW 分为三个阶段：加热、融合和焊接，典型焊接时间为一到八秒。
• 两个零件需要具有相反的光学特性：上层必须透过该波长，下层必须在薄层内吸收该波长。
• 中等吸收率是最不利的情形，会使整个厚度受热，导致零件不适合作为接头任何一侧的材料。
• 激光焊接可实现气密密封，无飞边、无颗粒物、热影响区极小，且不会损伤零件表面。

常见问题

激光焊接中的“透射”是什么意思？

激光穿过透激光的上层零件，在吸收激光的下层零件表面被吸收。零件预先装配并夹紧，使接合面紧密接触，焊缝在该界面处形成。

透射式激光焊接有哪些阶段？

共三个阶段。在加热阶段，激光加热界面处的吸收性聚合物，使其膨胀并提高焊接压力。在融合阶段，进一步膨胀使压力增大，并发生少量焊接。在焊接阶段，足够的熔融材料塌陷形成真正的焊缝，通常约为 0.13 mm。

含玻纤填充的材料能否进行激光焊接？

玻纤含量高达 50% 的填充材料已被成功焊接，但不适用于气密密封。填料、添加剂和颜料都会改变聚合物对激光束的响应，因此与其他任何连接工艺相比，激光焊接对材料适用性更为敏感。

为什么选择激光焊接而不是超声波焊接或热板焊接？

它是非接触式的，仅在光滑玻璃板下轻度夹紧，因此不会损伤零件，也不会传递振动。焊缝位于表层之下，几乎不可见，热影响区极小，因此预先放置的脆弱元件不受影响；同时无需修整飞边，并可实现气密密封。

不同种类的塑料能否激光焊接在一起？

可以，前提是它们满足必要的光学和热学条件。每种聚合物对三种主要焊接波长的透过率各不相同，因此需要将两种材料放在一起评估，而不是分别评估。

产品应用

透明、半透明和不透明的彩色聚合物，包括尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯类塑料、热塑性聚氨酯（TPU）和热塑性弹性体（TPE），均采用不含重金属、经 FDA/欧洲食品安全局（EFSA）认可的添加剂进行专门配方，以获得高对比度的打标质量，其中包括激光焊接产品（图 1）。聚合物的透明度、光谱透过率和基础物理性能不受影响。非接触式数字激光打标取代了昂贵的粘贴标签和油墨化学印刷工艺，成本效益高、环保，且外观更为出色。

激光打标的表面反应机理

用于近红外（NIR）激光器（波长 1,060–1,080nm）的激光化学添加剂配方已取得进展，包括与掺镱光纤激光器、钒酸盐激光器和 Nd:YAG 激光器兼容。大多数聚合物在没有化学添加剂的情况下不具备近红外吸收特性。能被激光打标的聚合物是吸收激光并将光能转化为热能的聚合物。添加剂、填料、颜料和染料用于增强对激光能量的吸收，以实现局部变色。根据所需的打标对比度和功能，需要配置截然不同的配方化学体系和激光光学/设置参数。

图 1 展示了两种常见的表面反应机理。第一种是热化学“碳化”或“炭化”，即基材吸收的能量使吸收点周围材料的局部温度升高到足以引起聚合物热降解的程度。标记的深浅取决于所吸收的能量以及材料特有的热降解路径。通过优化激光设置，可使表面碳化残留物降至最低。

第二种表面反应是“发泡”，这是一种通过添加剂实现的化学变化，添加剂在降解过程中释放蒸汽，使聚合物发泡。发泡过程中，激光能量被紧邻发泡剂的添加剂吸收。吸收剂产生的热量使发泡剂降解并释放蒸汽。通过严格控制激光工作参数，可在深色基材上生成高质量、持久的浅色“白色”标记。

第三种反应（图中未示出）是利用激光能量加热/降解混合着色剂中的一种着色剂，从而引起颜色变化。例如炭黑与稳定的无机着色剂的混合物。加热时炭黑被去除，留下无机着色剂。这类混合着色剂体系取决于特定着色剂的稳定性，并非所有颜色变化都能实现。炭黑配方在激光焊接中不可或缺。

用于打标和焊接的激光添加剂化学体系

近红外激光添加剂可提高对比度，并可通过改变激光设置参数进一步增强。聚合物本身具有产生“深色”或“浅色”打标对比度的固有特性。一些含有少量二氧化钛（TiO2）和炭黑的着色剂化合物也能吸收激光并提高打标对比度。即使在同一聚合物族中，每种聚合物牌号也可能产生不同的结果。添加剂配方不得有毒，也不得对产品的外观、物理或功能性能产生不利影响。

与油墨印刷工艺（移印/丝印和喷墨打印）相比，激光添加剂可节约成本，与未优化的材料相比，打标速度可提高 20% 甚至更多。激光添加剂以粒料和粉末形式供应。粒料产品可直接与聚合物树脂混合，粉末形式则需先制成母粒。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，（最终制件中）按重量计的添加浓度在 0.01% 至 4.0% 之间。

粒料和粉末形式均可混入预混色材料或色母粒中。选择哪种添加剂取决于聚合物组成、基材颜色、所需的打标对比色以及最终用途的认证要求。对于挤出、注塑和热成型作业，预混色材料比色母粒的均匀性更好。应避免手工混合。模具流动以及浇口类型/位置是重要因素。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对于获得最佳打标性能至关重要。

一些添加剂含有掺锑氧化锡和三氧化二锑的混合物，可能会使天然（未着色）基材的不透明度带上“灰色”色调。其他添加剂可能含有铝颗粒、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，以实现最终的配色外观。按商业供应状态，特定添加剂（也用于激光焊接）已根据 21 CFR 178.3297（聚合物着色剂）的 A–H 条件获得 FDA 对食品接触和食品包装用途的批准。欧盟也有类似的合规声明。认证条件因聚合物类型、添加量阈值以及直接或间接接触而异。对混入“最终制件”的 FDA 批准添加剂进行进一步鉴定，可实现医疗器械的生物相容性。

在激光添加剂添加/配色化学过程中，成品中的激光添加剂含量低于计算量的情况并不少见。这一问题几乎总是与挤出或成型过程中的分布不均有关。对注塑机进行简单调整，如提高背压和螺杆转速，即可解决大多数问题。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对于获得最佳打标性能至关重要。对于挤出、注塑和热成型作业，预混色材料比色母粒的均匀性更好。应避免手工混合。模具流动以及浇口类型/位置是重要因素。

透射式激光焊接原理

“透射”一词源于激光穿过透激光的上层零件，到达吸收激光的下层零件表面，如图 2 所示。塑料的透射式激光焊接（TTLW）包含三个阶段。在 TTLW 中，零件预先装配并夹紧在一起，使其接合面紧密接触。本文采用大功率二极管激光器（λ = 800–1,000nm）和固体激光器（掺镱光纤和 Nd:YAG 激光器，λ = 1,060–1,080nm）。

在加热阶段，激光能量加热界面处吸收激光的聚合物，使零件膨胀，从而提高焊接压力。在光束焦点处激光功率最大，零件在该点开始熔化，形成熔区。这是第二阶段，即融合阶段的开始。零件进一步膨胀，产生额外的膨胀并使压力相应升高。此时已发生少量焊接。

焊接阶段是最后阶段。产生足够的熔融材料以形成真正的焊缝。熔融材料发生塌陷，类似于热板焊接或熔接。对大多数应用而言，塌陷量约为 0.13mm（0.005 英寸）。大多数应用的典型焊接时间约为一到八秒，较大的零件可能更长。TTLW 激光焊接有四种主要工艺：轮廓焊接、掩模焊接、同步焊接和准同步焊接。

待焊接的两个零件在给定的焊接波长下必须具有不同的光吸收特性。上层透激光的零件必须尽可能多地透过该波长，而下层吸收激光的零件则必须在薄层内尽可能多地吸收。这是能量效率最高的组合，因为大量能量在界面处被吸收，而不会在下层零件软化到足以焊接之前先使上层零件降解。反射率过高也会增加焊接所需的能量。

与其他任何连接工艺相比，激光焊接对材料适用性更为敏感。理论上，激光焊接可以焊接所有对激光束透明的热塑性塑料。然而，每种聚合物透过激光焊接所用三种主要波长的激光的能力各不相同。此外，特定聚合物对激光束的响应还会因填料、添加剂和颜料的存在而改变。

高吸收率的材料是 TTLW 焊接中下层零件的理想选择，因为它们在焊接界面处吸收大部分能量，形成非常适合激光焊接的受热薄表层。吸收率处于中等范围的材料可能会出现问题，因为它们会在整个材料厚度上吸收激光能量，导致整个厚度受热。这类材料几乎不允许能量穿过，因此不适合作为 TTLW 激光焊接的上层材料。此外，它们在顶部边缘吸收的能量也不多，因此同样不宜作为下层材料。玻纤含量高达 50% 的填充材料已被成功焊接，但不适用于气密密封。

TTLW 的主要优点包括：

• 非接触焊接。激光焊接使用光滑的玻璃板固定待焊接零件，夹紧力轻（100 磅或更小），焊接工具与零件无接触。因此不会损伤被焊零件的表面，也无需可能损坏精密零件的焊接压力。
• 表层下焊接。焊缝出现在两个零件的界面处。对于透明零件，焊缝几乎不可见；对于不透明零件，焊缝则完全不可见。焊缝可位于表面下方，也可深入零件内部。
• 精确焊接。激光焊缝的尺寸和位置可以非常精确，且不会向待焊零件传递振动。对于需要激光与焊件之间发生相对运动的工艺版本，移动的是激光。因此，激光焊接是最精确的焊接工艺。
• 热影响区极小。焊点非常小，热影响区相当集中。因此可以在非常靠近其他元件的位置进行焊接而不影响它们，从而可焊接预先装有敏感和脆弱部件的子组件。此外，因热引起的变形和降解极为有限，残余应力也有所降低。
• 能够焊接不同种类的塑料。满足必要条件的不同种类塑料可以相互焊接。
• 无飞边。在激光焊接中，焊缝完全封闭，不会产生需要修整的飞边，也没有松散颗粒物。
• 气密密封。激光焊接能够形成气密、不透气的焊缝。
• 能量效率高。与其他焊接工艺相比，激光焊接的能量效率很高。这也意味着不会产生需要从工作场所排出的多余热量。

结论

掺入聚合物中的双功能激光添加剂可带来出色的打标对比度、线条边缘细节和速度。这些添加剂可优化同种及异种热塑性塑料的激光焊接。经济实惠的光纤激光技术的进步起到了重要作用。这些优势能迅速抵消添加剂带来的额外材料成本。针对激光打标和焊接优化的材料科学化学体系，需要在聚合物、着色剂、颜料和染料方面具备专业知识，涉及溶解性、粒径、阈值浓度限值、配色以及法规认证（GRAS、FDA 直接/间接食品接触）。聚合物的激光打标和 TTLW 能够应对当今应用的挑战。

参考文献

• Scott R. Sabreen，“FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking”，Plastics Decorating Magazine，2015 年 4/5 月
• Jordan Rotheiser，The Sabreen Group Inc. 特约顾问。焊接部分节选自 Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition，Jordan Rotheiser，Carl Hanser Verlag，慕尼黑，2009 年

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，这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、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 开发开创性技术并解决制造难题已逾 30 年。您可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 与他联系。

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