塑料激光焊接中光散射和光束輪廓是什么意思

一?光散射

光散射包括光的折射和反射，改變了光束的傳播方向，使得光束無法達(dá)到焊縫位置，因此降低了激光通過上層零件的穿透率，影響焊接質(zhì)量。

導(dǎo)致光束散射的因素如下：

結(jié)晶/半結(jié)晶材料的結(jié)晶顆粒。

染料和色粉。無機(jī)色粉的顆粒相對(duì)較大，影響較大。

礦物填料

纖維

其它顆粒物或者不均勻物質(zhì)

許多工程塑料是半結(jié)晶材料，激光束透過材料時(shí)會(huì)發(fā)生散射。因此，對(duì)上層零件厚度有限制要求。激光束散射強(qiáng)度取決于塑料的種類。例如，對(duì)于POM和PBT，光散射強(qiáng)度強(qiáng)，因此最大厚度只有1-2mm。對(duì)于PEEK，最大厚度小于1mm。

光散射除了與材料種類相關(guān)，還與添加劑和加工工藝有關(guān)。可以改變結(jié)晶顆粒尺寸以減少散射，例如應(yīng)用于包裝行業(yè)的透明變體PP。PBT也有一些特殊變體，具有較少散射的特性，因此其透射件厚度可高達(dá)幾個(gè)毫米。

零件上色會(huì)影響激光的穿透率，應(yīng)非常小心。例如家電行業(yè)的深白色(采用二氧化鈦染料)部件則無法采用激光進(jìn)行透射焊接。

礦物填料一般用來改變塑料機(jī)械性能，但如果礦物填料導(dǎo)致零件不透明，那么也會(huì)影響激光的穿透率。

如果零件的玻纖含量不高，或者零件不厚，那么玻纖對(duì)光散射不敏感。

二 光束輪廓

激光器的類型不同，其產(chǎn)生的光束輪廓可能有所不同。光學(xué)元件也可以用于改變光束輪廓。

通常，高斯?(Guass) 光束輪廓被認(rèn)為是最佳的。因?yàn)槠淠芰烤劢乖谝粋€(gè)小點(diǎn)上，適合金屬切割或者打標(biāo)的需要。

但是對(duì)于塑料焊接，高斯光束輪廓不是最佳的。焊縫中間吸收的能量要對(duì)于兩側(cè)，會(huì)導(dǎo)致焊縫中間燒傷或者焊縫邊緣不清晰。

主流半導(dǎo)體激光器的激光束呈現(xiàn)矩形輪廓(Flat-top)。焊縫吸收的能量在焊縫寬度上分布更均勻。與高斯光束輪廓相比，焊縫質(zhì)量更好，焊接參數(shù)調(diào)整的工藝窗口更大。

理論上，用于塑料焊接的最佳光束輪廓是環(huán)形的光束輪廓，中間的強(qiáng)度小于邊緣的強(qiáng)度。這也稱為M形光束輪廓。焊縫在其整個(gè)寬度上接收相同的能量密度。但是，為了產(chǎn)生M形光束輪廓，至少要增加一個(gè)光學(xué)元件，如透鏡或者衍射光學(xué)元件DOE。

但是，需要注意的是，半結(jié)晶材料因?qū)す馐a(chǎn)生散射，光束經(jīng)過上層透射件時(shí)輪廓會(huì)發(fā)生變化。光束輪廓會(huì)變得模糊，并且接近與高斯光束輪廓類似的形狀。

因此，矩形和M形這類特殊的光束輪廓，只有對(duì)不破壞光束輪廓的無定形材料才有實(shí)際意義。