塑料激光焊接Tips：光散射 & 光束轮廓

　　光散射

　　光散射包括光的折射和反射，改变了光束的传播方向，使得光束无法达到焊缝位置，因此降低了激光通过上层零件的穿透率，影响焊接质量。

　　导致光束散射的因素如下：

• 　　结晶/半结晶材料的结晶颗粒。
• 　　染料和色粉。无机色粉的颗粒相对较大，影响较大。
• 　　矿物填料
• 　　纤维
• 　　其它颗粒物或者不均匀物质

　　许多工程塑料是半结晶材料，激光束透过材料时会发生散射。因此，对上层零件厚度有限制要求。激光束散射强度取决于塑料的种类。例如，对于POM和PBT，光散射强度强，因此最大厚度只有1-2mm。对于PEEK，最大厚度小于1mm。

　　光散射除了与材料种类相关，还与添加剂和加工工艺有关。可以改变结晶颗粒尺寸以减少散射，例如应用于包装行业的透明变体PP。PBT也有一些特殊变体，具有较少散射的特性，因此其透射件厚度可高达几个毫米。

　　零件上色会影响激光的穿透率，应非常小心。例如家电行业的深白色(采用二氧化钛染料)部件则无法采用激光进行透射焊接。

　　矿物填料一般用来改变塑料机械性能，但如果矿物填料导致零件不透明，那么也会影响激光的穿透率。

　　如果零件的玻纤含量不高，或者零件不厚，那么玻纤对光散射不敏感。

　　光束轮廓

　　激光器的类型不同，其产生的光束轮廓可能有所不同。光学元件也可以用于改变光束轮廓。

　　通常，高斯 (Guass) 光束轮廓被认为是最佳的。因为其能量聚焦在一个小点上，适合金属切割或者打标的需要。

　　但是对于塑料焊接，高斯光束轮廓不是最佳的。焊缝中间吸收的能量要对于两侧，会导致焊缝中间烧伤或者焊缝边缘不清晰。

　　主流半导体激光器的激光束呈现矩形轮廓(Flat-top)。焊缝吸收的能量在焊缝宽度上分布更均匀。与高斯光束轮廓相比，焊缝质量更好，焊接参数调整的工艺窗口更大。

　　理论上，用于塑料焊接的最佳光束轮廓是环形的光束轮廓，中间的强度小于边缘的强度。这也称为M形光束轮廓。焊缝在其整个宽度上接收相同的能量密度。但是，为了产生M形光束轮廓，至少要增加一个光学元件，如透镜或者衍射光学元件DOE。

　　但是，需要注意的是，半结晶材料因对激光束产生散射，光束经过上层透射件时轮廓会发生变化。光束轮廓会变得模糊，并且接近与高斯光束轮廓类似的形状。

　　因此，矩形和M形这类特殊的光束轮廓，只有对不破坏光束轮廓的无定形材料才有实际意义。