Badanie transmisji określa, jaka część promieniowania laserowego przechodzi przez laserowo przezroczysty element łączony i tym samym rzeczywiście staje się dostępna w płaszczyźnie złącza. W laserowym spawaniu doczołowym tworzyw termoplastycznych stopiona faza nie powstaje tam, gdzie ustawiony jest laser, lecz tam, gdzie docierają fotony. Pomiędzy tymi punktami dochodzi do odbicia na granicach faz, absorpcji w objętości materiału oraz – w przypadku materiałów semikrystalicznych, napełnionych lub pigmentowanych – rozpraszania. Istotne jest zatem widmowe natężenie napromienienia przy długości fali procesu, droga optyczna przez element oraz kątowy rozkład promieniowania wyjściowego. Tylko te wielkości decydują o natężeniu, energii liniowej i polu temperatury na powierzchni złącza, a tym samym o powtarzalności spawu.

Z technicznego punktu widzenia istotne jest przede wszystkim przesunięcie w łańcuchu wartości:

Łańcuch przyczynowy jest spójny: miniaturyzacja i integracja funkcjonalna zmniejszają powierzchnie złączy i grubości ścianek. To zawęża dopuszczalny margines energetyczny, ponieważ to samo odchylenie bezwzględne powoduje większy błąd względny. Jednocześnie rośnie udział kompozytów napełnianych i barwionych, których właściwości optyczne różnią się w zależności od partii i miejsca pobrania próbki. Oba efekty razem przesuwają zapewnienie jakości z kontroli spoiny po spawaniu na wcześniejsze badanie materiału.

Najsilniej regulacje wpływają na technikę medyczną: rozporządzenie UE 2017/745 (MDR) w połączeniu z normą EN ISO 13485 (pkt 7.5.6) wymaga walidacji procesu z udokumentowanymi granicami procesu dla procesów, których wyniku nie można skontrolować w sposób nieniszczący – a łączenie kanałów przepływowych jest jednym z nich. Transmisja partnera łączenia jest jedną z niewielu wielkości, które można zmierzyć w sposób nieniszczący jeszcze przed rozpoczęciem łączenia.

Sześć zjawisk zmienia wymagania dotyczące badania transmisji:

Spawanie bez absorbera z użyciem laserów światłowodowych na bazie tulu. Źródła w zakresie ok. 1940 nm wykorzystują własną absorpcję polimeru. Długość fali pomiarowej musi się do tego dostosować; odczyt przy 980 nm traci sens.

Kształtowanie wiązki zamiast zwiększania mocy. Dostosowane profile natężenia dają bardziej jednorodne strefy złącza niż profile Gaussa w przypadku materiałów nierozpraszających. W przypadku materiałów silnie rozpraszających rozpraszanie objętościowe w dużej mierze wyrównuje różnice profilu – co jest powodem, by zmierzyć właściwości rozpraszające jeszcze przed zaprojektowaniem optyki.

Projektowanie procesu wspomagane symulacją. Sprzężone modele ray-tracingu i MES uwzględniają jednocześnie rozpraszanie i przewodzenie ciepła. Ich wielkościami wejściowymi są zmierzone współczynniki absorpcji i rozpraszania; jakość symulacji zależy więc bezpośrednio od jakości charakteryzacji optycznej.

Barwienie na czarno przepuszczające promieniowanie lasera. Systemy barwiące bez sadzy odsprzęgają wygląd wizualny od transmisji w zakresie NIR. Kontrola towarów przychodzących nie może już odbywać się wzrokowo.

Produkcja addytywna jako nowa klasa materiałów. W partnerach łączenia wykonanych metodą druku 3D granice warstw i pory tworzą dodatkowe centra rozpraszania o wyraźnej zależności kierunkowej. Konsekwencja: wartości transmisji można przenosić wyłącznie między częściami wydrukowanymi w tej samej orientacji budowy.

Identyfikowalność jako kryterium zakupowe. Klienci z branży motoryzacyjnej i medycznej coraz częściej wymagają odczytów transmisji zgodnych z normą ISO/IEC 17025, a nie wewnętrznych wartości referencyjnych producenta.

Wielkości rynku, tempa wzrostu i źródła dla tego obszaru zastosowań zostały zestawione na stronie Rozwój rynku technologii UV.

Spawanie laserowe przez transmisję łączy dwa tworzywa termoplastyczne, które różnią się sposobem oddziaływania optycznego z promieniowaniem laserowym. Górny element łączony jest w dużej mierze przezroczysty przy długości fali procesu; dolny pochłania promieniowanie – zazwyczaj dzięki sadzy, a alternatywnie dzięki absorberom NIR, które są niewidoczne w zakresie światła widzialnego.

Promieniowanie przechodzi przez górny element, jest przekształcane w ciepło w cienkiej warstwie powierzchniowej materiału pochłaniającego na granicy złącza i lokalnie go topi. Ciepło dociera następnie do przezroczystego elementu na drodze przewodzenia, który również ulega stopieniu. Pod wpływem docisku powstaje połączenie materiałowe poprzez wzajemną dyfuzję makrocząsteczek w obrębie granicy złącza.

Fizycznie obowiązuje bilans udziałów promieniowania:

A + R + T = 1

gdzie A oznacza absorpcję, R odbicie, a T transmisję. Wszystkie trzy wielkości zależą od materiału, długości fali i temperatury, i zawsze odnoszą się do określonej grubości materiału. W ośrodkach optycznie niejednorodnych – na przykład ze względu na włókna szklane, pigmenty lub krystality – rozpraszanie dodatkowo odchyla promieniowanie od jego pierwotnego kierunku propagacji bez jego pochłaniania.

Typowe długości fali stosowane w procesie mieszczą się w zakresie od 800 do 1100 nm, ponieważ większość niepigmentowanych tworzyw termoplastycznych pochłania w tym zakresie jedynie słabo. Długość fali 980 nm stała się długością odniesienia dla badań transmisji, ponieważ znajduje się w centrum przemysłowo wykorzystywanego zakresu laserów diodowych.

Wariant procesu decyduje o tym, ile punktów pomiarowych wymaga badanie transmisji oraz jak silnie lokalne odchylenia transmisji przekładają się na wynik.

Wśród źródeł wiązki dominują lasery diodowe o długości fali od 808 do 980 nm ze względu na wysoką sprawność elektrooptyczną i kompaktową budowę. Lasery światłowodowe o długości fali 1064 nm oferują lepszą jakość wiązki i mniejsze średnice ogniska. Laser światłowodowy tulowy o długości fali w okolicach 1940 nm wykorzystuje własną absorpcję nadtonów C-H i O-H polimeru i umożliwia łączenie bez absorbera; w tym przypadku deponowanie energii przesuwa się z granicy międzyfazowej w głąb obu partnerów.

Ważne dla planowania badań: badanie transmisji musi być przeprowadzone przy długości fali, która będzie później stosowana do spawania. Wartość zmierzona przy 980 nm nie przekłada się na proces przy 1940 nm, ponieważ ten proces celowo wykorzystuje pasma absorpcji, których unika się przy 980 nm.

Transmitancja T przy długości fali procesowej. Skaluje ona bezpośrednio moc dostępną w szczelinie spoiny: P_joint = T · P_laser. Spadek z 45% do 35% oznacza o 22% mniej energii na powierzchni spoiny – przy niezmienionych parametrach systemu.

Długość drogi optycznej. Transmitancja nie jest stałą materiałową, odnosi się do konkretnej grubości. Przejścia grubości ścianki, żebra, fazowania oraz obszary napromieniowane pod kątem wydłużają drogę i nieproporcjonalnie zmniejszają T, gdy zaczyna dominować rozpraszanie.

Rozpraszanie i rozkład kątowy. Promieniowanie rozproszone nie jest stracone; dociera do płaszczyzny spoiny rozproszone i o niższym natężeniu szczytowym. Spoina staje się szersza, a temperatura szczytowa niższa. Dwie części o identycznej transmitancji całkowitej mogą zatem dawać różne wyniki spawania.

Absorpcyjność dolnego elementu. Głębokość wnikania promieniowania w absorbującą powierzchnię spoiny decyduje o tym, czy ciepło powstaje na całej powierzchni, czy w bardzo cienkiej warstwie. Zbyt wysokie stężenie absorbera koncentruje energię w kilku mikrometrach i sprzyja uszkodzeniom termicznym oraz odgazowaniu.

Natężenie napromienienia i czas oddziaływania. O wyniku decyduje nie sama energia, lecz jej rozkład w czasie. Natężenie napromienienia I = P/A oraz czas oddziaływania t = d_spot/v wspólnie determinują osiąganą temperaturę szczytową; przewodzenie ciepła działa jako konkurencyjny mechanizm strat.

Docisk spoiny i szczelina. Szczelina powietrzna przerywa przewodzenie ciepła do przezroczystego elementu niemal całkowicie, ponieważ przewodność cieplna powietrza jest o około dwa rzędy wielkości niższa niż tworzyw termoplastycznych.

Temperatura części i wilgoć. Właściwości optyczne są zależne od temperatury; w przypadku poliamidów pochłanianie wilgoci dodatkowo zmienia zachowanie absorpcji w zakresie NIR, ponieważ dochodzą pasma nadtonów O-H. Ma to znaczenie dla procesów bezabsorberowych; dla procesów przy 980 nm jest to zazwyczaj kwestia drugorzędna.

Ta sekcja podsumowuje błędne interpretacje najczęściej spotykane w praktyce.

Wartości z karty katalogowej nie odnoszą się do rzeczywistej części. Karty katalogowe tworzyw sztucznych podają wartości transmisji dla wtryskiwanych płytek wzorcowych o określonej grubości. W rzeczywistej części orientacja włókien, linie zespolenia, położenie wlewka, temperatura formy oraz lokalna prędkość chłodzenia zmieniają stopień krystaliczności i rozkład włókien. W efekcie w obrębie jednej części – przy nominalnie identycznym materiale – występują różnice transmisji sięgające kilku punktów procentowych.

Nominalnie wystarczająca moc lasera nie jest gwarancją w płaszczyźnie złącza. Podana wartość to optyczna moc wyjściowa źródła. Pomiędzy źródłem a powierzchnią złącza występują straty optyczne, odbicie Fresnela na dwóch powierzchniach granicznych, absorpcja objętościowa i rozpraszanie. Zatwierdzenia procesu oparte na ustawionej mocy systematycznie przeszacowują energię faktycznie dostępną.

Elektryczna moc wejściowa nie jest dawką optyczną. Sprawność elektrooptyczna laserów diodowych wynosi zazwyczaj od 40 do 60 % i spada wraz ze wzrostem temperatury złącza. Sterowanie procesem oparte na elektrycznej mocy wejściowej nie uwzględnia ani starzenia się baterii diod, ani zanieczyszczenia okien ochronnych.

Transmisja kierunkowa i rozproszona bywają mylone. Kula całkująca rejestruje całkowitą transmisję półsferyczną i zwraca wyższą wartość dla materiałów rozpraszających. Wąska apertura detektora rejestruje jedynie frakcję quasi-skolimowaną i zwraca wartość niższą. Obie wartości są poprawne i odpowiadają na różne pytania: transmisja całkowita opisuje bilans energetyczny, a pomiar z ograniczoną aperturą – natężenie skoncentrowane w przekroju spoiny. Bez podania geometrii pomiaru, wielkości apertury i odległości detektora wartości transmisji dla części rozpraszających nie są porównywalne.

Pomiar w niewłaściwym miejscu. Pomiar na płaskiej powierzchni referencyjnej poza strefą złącza nie uwzględnia ani przejść grubości ścianki, ani lokalnego nagromadzenia włókien wzdłuż spoiny. Znaczący jest profil transmisji wzdłuż planowanego konturu spawania, a nie pojedyncza wartość.

Pomiar przy niewłaściwej długości fali. Całkowita przepuszczalność świetlna wyznaczona zgodnie z ISO 13468 odnosi się do zakresu widzialnego i nie jest miarodajna dla długości fali procesu NIR. I odwrotnie, wysoka transmisja NIR nie mówi nic o wyglądzie wizualnym – kompozyty czarne dla lasera, pozostające przezroczyste w zakresie NIR, wykorzystują właśnie to rozdzielenie.

Zasada wzajemności jest zakładana tam, gdzie nie obowiązuje. Założenie, że podwojenie mocy przy jednoczesnym skróceniu czasu ekspozycji o połowę daje ten sam wynik, obowiązuje tylko wtedy, gdy przewodzenie ciepła jest pomijalne. W procesach powolnych ciepło wnika w głąb części, a rzeczywiście osiągana temperatura szczytowa jest niższa od obliczonej; w procesach bardzo szybkich uszkodzenie termiczne absorbera ogranicza dopuszczalne natężenie.

Transmisja jest stosowana jako jedyne kryterium dopuszczenia. T opisuje wyłącznie partnera przezroczystego. Jeśli stężenie absorbera w elemencie przeciwnym się zmienia, rozkład energii ulega przesunięciu, czego pomiar transmisji nie wykazuje. Solidne dopuszczenie materiału obejmuje oba łączone elementy.

Tolerancja położenia dla próbek rozpraszających jest niedoszacowana. W przypadku silnie rozpraszających części wyświetlana wartość transmisji zależy wyraźnie od położenia i orientacji próbki w głowicy pomiarowej. Bez zdefiniowanego, powtarzalnego mocowania części rozrzut pomiarowy może przewyższyć zmienność materiału, którą ma on wykrywać.

Krystaliczność. Semikrystaliczne tworzywa termoplastyczne, takie jak PA, PP, POM i PBT, zawierają sferolity, których współczynnik załamania różni się od fazy amorficznej. Promieniowanie rozprasza się na tych granicach faz. Materiały amorficzne, takie jak PC, PMMA i PS, wykazują zatem wyraźnie wyższą transmisję kierunkową. Ponieważ krystaliczność zależy od szybkości chłodzenia, temperatura formy i grubość ścianki mają bezpośredni wpływ na przezroczystość laserową – parametr procesu formowania staje się parametrem optycznym procesu spawania.

Włókna szklane. Włókna wzmacniające zmniejszają transmisję głównie poprzez rozpraszanie, a nie absorpcję. Badania na PA6 wzmocnionym krótkimi włóknami szklanymi pokazują, że transmitowana energia lasera spada z około 70% do około 20%, gdy zawartość włókien wzrasta od 0 do 63% wag.; między 0 a 50% wag. udział rozproszonego promieniowania wzrasta nawet o około 50%. W praktyce znaczenie ma również orientacja włókien: efektywne rozpraszanie różni się między obszarami zorientowanymi zgodnie z przepływem a obszarami linii łączenia.

Wypełniacze mineralne. Talk, kreda i kulki szklane zmniejszają transmisję znacznie silniej niż włókna szklane przy tym samym udziale masowym. Kulki szklane mogą uniemożliwić spawanie transmisyjne nawet przy niewielkich grubościach ścianki.

Pigmenty. Nieprzezroczyste białe pigmenty, w szczególności dwutlenek tytanu, są w dużej mierze wykluczone w przypadku elementów przezroczystych dla lasera, ponieważ ich rozpraszanie jest jedynie słabo zależne od długości fali i działa podobnie w zakresie NIR jak w zakresie widzialnym. Sadza w elemencie absorbującym jest z kolei pożądana; udziały masowe wynoszące zaledwie od 0,05 do 0,5% generują już wystarczającą absorpcję.

Grubość elementu. W przypadku materiałów rozpraszających strata transmisji rośnie szybciej, niż przewidywałby czysty model absorpcji, ponieważ wielokrotne rozpraszanie nieproporcjonalnie zwiększa średnią długość drogi fotonu. Dla materiałów silnie rozpraszających, takich jak POM lub PBT, ogranicza to w praktyce grubość elementu przezroczystego do kilku milimetrów; dla PEEK granica ta jest jeszcze niższa.

Geometria i kąt padania. Na powierzchniach zakrzywionych i spoinach promieniowych promieniowanie pada pod kątem. Napromieniowana długość drogi rośnie wraz z 1/cos θ, podczas gdy współczynnik odbicia Fresnela jednocześnie rośnie wraz z kątem padania. Oba efekty zmniejszają moc docierającą do złącza bez jakiejkolwiek zmiany materiału. Badania transmisji na elementach osiowosymetrycznych powinny być zatem przeprowadzane w rzeczywistej geometrii procesu.

Najprostszy ilościowy opis transmisji łączy odbicie Fresnela na granicy ośrodków z absorpcją objętościową opisaną prawem Beera-Lamberta:

T = (1 − R)² · e^{(−α · d)}

gdzie

• T transmitancja (wielkość bezwymiarowa)
• R współczynnik odbicia jednej granicy ośrodków przy padaniu prostopadłym, R = ((n − 1)/(n + 1))²
• n współczynnik załamania polimeru (PA6: ≈ 1,53; PC: ≈ 1,58; PMMA: ≈ 1,49)
• α współczynnik absorpcji w mm⁻¹ przy długości fali procesu
• d napromieniowana grubość w mm

Konsekwencja członów Fresnela. Dla PA6 przy n = 1,53, R wynosi ≈ 4,4 % na granicę ośrodków. Nawet idealnie pozbawiona absorpcji i rozpraszania część osiąga zatem jedynie T ≈ 91,4 %. Wymagania transmisji powyżej tej wartości są fizycznie niemożliwe do osiągnięcia dla niepowlekanych powierzchni z tworzywa sztucznego.

Założenia modelu. Prawo Beera-Lamberta zakłada ośrodek jednorodny, nierozpraszający, promieniowanie monochromatyczne, propagację skolimowaną oraz oddziaływanie liniowe. Odnosi się zatem w przybliżeniu do amorficznych, niewypełnionych tworzyw termoplastycznych.

Ograniczenia. Gdy tylko pojawia się rozpraszanie – co w praktyce dotyczy niemal każdego materiału półkrystalicznego, wypełnionego lub pigmentowanego – α nie opisuje już samej absorpcji, lecz staje się efektywnym współczynnikiem ekstynkcji µ_ext = µ_a + µ_s, łączącym absorpcję i rozpraszanie. Rozróżnienie to jest krytyczne dla procesu: promieniowanie zaabsorbowane jest stracone dla płaszczyzny łączenia, natomiast promieniowanie rozproszone nadal do niej dociera, tylko rozłożone przestrzennie. Pomiar rejestrujący jedynie część skolimowaną nie pozwala odtworzyć bilansu energetycznego. Fizycznie poprawny opis wymaga równania transportu promieniowania – w praktyce przybliżanego dwuprzepływowymi modelami typu Kubelki-Munka albo metodami Monte Carlo i ray-tracingu – aby rozdzielić promieniowanie na część zaabsorbowaną, rozproszoną do przodu i rozproszoną wstecz.

Konsekwencja praktyczna. Dla materiałów rozpraszających pojedyncza wartość transmitancji stanowi sensowny parametr procesowy tylko wtedy, gdy geometria pomiaru odpowiada geometrii procesu: ten sam zakres długości fali, porównywalna średnica wiązki, zdefiniowana apertura detektora oraz zdefiniowana odległość między spodnią stroną części a detektorem. Właśnie dlatego normy procesowe wymagają podania zasady pomiaru – pomiaru mocy, pomiaru fotometrycznego lub spektralnego.

1. Założenia. Zgrzewanie konturowe obudowy z PA6-GF30, grubość ścianki 2 mm, laser diodowy 980 nm, optyczna moc wyjściowa P₀ = 40 W, średnica plamki w płaszczyźnie złącza d_S = 1,5 mm, prędkość posuwu v = 100 mm/s. Wartość graniczna transmisji T₁ = 42 %; w obszarze z lokalnym nagromadzeniem włókien zmierzono T₂ = 30 %.

2. Model.
P_F = T · P₀  ·  E_l = P_F / v  ·  I = P_F / A  ·  t = d_S / v  ·  H = I · t

3. Obliczenia

4. Wynik. Spadek transmisji o 12 punktów procentowych zmniejsza energię dostępną w płaszczyźnie złącza o około 29 %.

5. Interpretacja techniczna. Teoretycznie stratę tę można by zrekompensować poprzez zwiększenie mocy wyjściowej do około 56 W lub zmniejszenie prędkości posuwu do około 71 mm/s. Oba rozwiązania nie są jednak równoważne: wyższa moc podnosi temperaturę szczytową w absorberze, a wraz z nią ryzyko uszkodzeń termicznych i odgazowania; niższa prędkość posuwu wydłuża czas przewodzenia ciepła i poszerza strefę wpływu ciepła. Kompensacja nie jest też ściśle liniowa, ponieważ grubość warstwy stopionej zależy również od przewodzenia ciepła. Zamiast ogólnego zwiększania parametrów, lepszym rozwiązaniem jest przestrzennie rozdzielczy test transmisji – umożliwia on albo zależną od położenia regulację mocy, albo wybrakowanie elementu przed połączeniem.

Poniższy kalkulator umożliwia ocenę własnych odczytów: uwzględnia moc przed próbką i za próbką, a następnie zwraca transmisję, stratę, tłumienie w decybelach oraz gęstość optyczną. Przy T₁ = 42% jest to około 3,8 dB – spadek do 30% odpowiada 5,2 dB, czyli o dobre 1,4 dB więcej tłumienia na drodze wiązki. Przeliczenie dotyczy każdej długości fali osobno; mierzone moce obejmują straty Fresnela na obu powierzchniach granicznych.

Motoryzacja i e-mobilność. Obudowy czujników, pokrywy sterowników ECU, zbiorniki wyrównawcze i rozdzielacze płynów są łączone głównie z poliamidów wzmocnionych włóknem szklanym oraz PBT. Istotna jest tu zmienność zawartości włókien między partiami i w obrębie danej pozycji, ponieważ ta sama parametryzacja systemu musi funkcjonować przez miesiące przy zmieniających się partiach materiału. Krytyczną wielkością procesową jest profil transmisji wzdłuż obwodowego szwu spawalniczego, a nie wartość średnia.

Technika medyczna i diagnostyka in vitro. Kartridże mikroprzepływowe zawierają kanały o szerokości kilkuset mikrometrów. Zbyt szeroka strefa stopienia zwęża lub blokuje kanał. Ponieważ szew nie może zostać w pełni oceniony metodą nieniszczącą po połączeniu, zapewnienie jakości przenosi się na etap dopuszczenia materiału. Istotna jest tu rozdzielczość przestrzenna pomiaru oraz spójność pomiarowa łańcucha pomiarowego.

Elektronika i czujniki. W przypadku obudów szczelnie zamkniętych jakość szwu decyduje o stopniu ochrony IP, a tym samym o odporności na wilgoć i media – powtarzalność wprowadzania energii wzdłuż całego konturu jest krytyczna również w produkcji elektroniki i półprzewodników, zwłaszcza w narożnikach, gdzie czas oddziaływania zmienia się wraz ze zwolnieniem toru ruchu.

Optyka i fotonika. W przypadku światłowodów, oprawek soczewek i pokryw wykonanych z PC lub PMMA obowiązuje podwójne wymaganie: wysoka transmisja w zakresie NIR na potrzeby procesu łączenia oraz określona transmisja w docelowym zakresie widmowym – to samo podwójne wymaganie występuje w przypadku precyzyjnych elementów optycznych. Obie wielkości muszą być badane oddzielnie, ponieważ dotyczą różnych zakresów długości fali.

Opakowania i dobra konsumpcyjne. Przy łączeniu cienkich folii i półproduktów dominuje zależność od grubości: dla laminatów foliowych PA6/PP osiągalna prędkość spawania wyraźnie maleje wraz ze wzrostem grubości folii, ponieważ więcej materiału musi się stopić, a niska przewodność cieplna tworzyw termoplastycznych ogranicza czas procesu.

Badania i rozwój materiałów. Przy opracowywaniu kompozycji przezroczystych dla lasera transmisja rozdzielona widmowo w zakresie od 600 do 2000 nm jest kluczową wielkością oceny, ponieważ pokazuje, czy zmiana receptury wpłynęła na absorpcję, czy na rozpraszanie.

Dwaj przezroczyści partnerzy łączenia. Zgrzewanie bez absorbera przy długościach fali od około 1500 do 2000 nm wykorzystuje własną absorpcję polimeru. Energia jest wówczas deponowana nie na granicy powierzchni, lecz w całej objętości; pozycja ogniska determinuje lokalizację strefy przetopienia. Badanie transmisji musi być tutaj przeprowadzone przy rzeczywistej długości fali procesu, ponieważ właściwości optyczne różnią się zasadniczo od tych przy 980 nm. Alternatywnie, jako tonką warstwę przejściową w szczelinie złącza stosuje się absorbery NIR, które są przezroczyste w zakresie widzialnym.

Wizualnie czarne, przezroczyste części. Systemy barwników bez czarnego sadzy pozwalają na wizualnie głęboko czarne części o wysokiej transmisji NIR. Zwolnienie takich kompozytów jest możliwe tylko poprzez pomiar transmisji NIR; ocena wizualna jest systematycznie błędna.

Silnie rozpraszające materiały. W przypadku POM, PBT i wysoko wypełnionych kompozytów grubość przezroczystego partnera jest w praktyce ograniczona do jednego lub dwóch milimetrów. Dostosowane strategie napromieniowania – takie jak formowanie wiązki do profilu natężenia typu flat-top lub dwuszczytowego, albo wielokrotne przejścia – częściowo kompensują rozszerzenie spowodowane rozpraszaniem.

Duże zmiany grubości ścianki. W przypadku części o zmiennej grubości ścianki wzdłuż szwu warto zastosować kontrolę mocy zależną od pozycji. Opiera się ona na wcześniej zmierzonym profilu transmisji, który jest wprowadzany do sterownika ścieżki.

Jaka wielkość? Potrzebna jest transmitancja partnera łączeniowego przezroczystego dla lasera przy długości fali procesowej, podawana wraz z grubością elementu w miejscu pomiaru. Do prac rozwojowych nad materiałami i analizy uszkodzeń dodatkowo wymagana jest transmisja rozdzielona widmowo; do badań seryjnych zwykle wystarcza pomiar przy jednej długości fali – wielkości leżące u podstaw tych pomiarów zebrano w przeglądzie wielkości radiometrycznych.

Gdzie mierzyć? Na elemencie, w geometrii łączenia oraz wzdłuż planowanego konturu spoiny. Siatka pomiarowa wzdłuż spoiny ujawnia nagromadzenia włókien, linie spawania i przejścia grubości ścianki, których pojedynczy punkt pomiarowy by nie wykrył.

Które niepewności pomiarowe mają znaczenie?

• Dryft źródła światła spowodowany starzeniem i temperaturą – można go ograniczyć dzięki konstrukcji dwuwiązkowej i wewnętrznej diodzie referencyjnej
• Światło otoczenia w środowisku produkcyjnym – można je zredukować dzięki źródłom modulowanym i detekcji synchronicznej
• Niepewność pozycjonowania próbki – często dominujący czynnik w przypadku elementów rozpraszających, kontrolowalny wyłącznie za pomocą uchwytu specyficznego dla danego elementu i zapewniającego powtarzalność
• Definicja apertury detektora i odległości – decyduje o tym, jaka frakcja rozproszonego światła zostanie wychwycona
• Spójność pomiarowa odczytu – poprzez wzorce odniesienia o znanej transmitancji oraz wzorcowanie w laboratorium akredytowanym zgodnie z ISO/IEC 17025

Kiedy wystarcza pomiar szerokopasmowy lub przy jednej długości fali? Dla zwolnionych do produkcji tworzyw o znanym profilu widmowym wystarcza pomiar przy długości fali procesowej, ponieważ wykryć trzeba jedynie odchylenia od znanego stanu.

Kiedy wymagany jest pomiar widmowy? Przy zmianie materiału lub receptury, zmianach barwników, analizie reklamacji oraz w procesach bez absorbera. Tylko widmo pokazuje, czy zmiana transmisji wynika z dodatkowych pasm absorpcji, czy ze zmienionego rozpraszania – pierwszemu można zaradzić wybierając inną długość fali, drugiemu nie.

Kiedy potrzebne są pomiary rozdzielone przestrzennie lub czasowo? Rozdzielone przestrzennie – w przypadku każdego elementu o nierównomiernym rozkładzie włókien lub zmiennej grubości ścianki, a także przy szerokościach spoiny poniżej około jednego milimetra. Rozdzielone czasowo – w procesach ze sprzężeniem termicznym, w których właściwości optyczne zmieniają się podczas spawania.

W produkcji seryjnej badanie transmisji coraz częściej nie jest etapem laboratoryjnym, lecz etapem produkcyjnym poprzedzającym łączenie.

Kontrola elementu przed łączeniem. System pomiarowy śledzi kontur spoiny – zdefiniowany ręcznie lub pobrany z danych CAD – i tworzy profil transmisji. Znaczenie techniczne polega nie na przekazaniu danych, lecz na tym, że element można wybrakować przed nieodwracalnym etapem łączenia. Dzięki temu unika się sklejenia dwóch elementów, gdy jeden z nich nie nadaje się do spawania.

Adaptacyjna regulacja mocy. Jeśli profil transmisji zostanie przekazany do sterownika systemu, moc lasera można regulować punkt po punkcie tak, aby energia liniowa w płaszczyźnie złącza pozostawała stała, zamiast ustawionej mocy wyjściowej. Przesuwa to zmienną sterującą z parametru systemu na fizycznie efektywną wielkość.

Monitorowanie w trakcie procesu. Pirometria i termowizja rejestrują temperaturę powierzchni podczas spawania. W procesach bez absorbera z promieniowaniem o dłuższej długości fali jest to ograniczone, ponieważ promieniowanie procesowe nakłada się widmowo z mierzonym promieniowaniem cieplnym. Pomiar ścieżki złącza w spawaniu quasi-symultanicznym dostarcza natomiast bezpośredniej mechanicznej miary stopionej objętości.

Sprzężenie zwrotne danych i spójność pomiarowa. Powiązanie identyfikacji elementu, profilu transmisji i parametrów spawania umożliwia statystyczną kontrolę procesu w obrębie partii i ujawnia dryft materiału, zanim doprowadzi on do braków. W branżach regulowanych stanowi to również część wymaganej walidacji procesu.

Dopiero po rozstrzygnięciu tych kwestii następuje wybór przyrządu: fotometry procesowe typu klamrowego do badań liniowych przy jednej długości fali na płaskich obszarach elementów, spektrofotometry z kulą całkującą do wyznaczania transmisji kierunkowej i rozproszonej na próbkach materiału oraz akredytowane wzorcowanie zapewniające spójność pomiarową całego łańcucha pomiarowego.

Rozpraszanie jako dominujący mechanizm strat w tworzywach termoplastycznych z napełniaczem. W tym badaniu przeanalizowano, jak grubość elementu, zawartość włókna szklanego i krystaliczność zmieniają rozpraszanie światła podczas spawania laserowego przez transmisję. Eksperymentalnie rozdzielono udziały absorpcji i rozpraszania i wykazano, że utrata transmisji w poliamidach wzmocnionych wynika przede wszystkim z rozpraszania, a nie z absorpcji – wynik ten wyjaśnia, dlaczego samo zwiększenie mocy nie przywraca jakości spoiny. Xu, Parkinson, Bates, Zak (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131

Strategie napromieniowania dla materiałów silnie rozpraszających. W tym badaniu przeanalizowano dostosowane strategie napromieniowania dla polimerów o wysokim rozpraszaniu objętościowym. Wykazano, że okno procesowe można poszerzyć poprzez dostosowanie rozkładu natężenia, gdy właściwości rozpraszające przezroczystego partnera są znane z wyprzedzeniem. Frick, Schkutow (2018), Procedia CIRP 74, 538–543

Systematyczny przegląd wariantów napromieniowania. Ten przegląd klasyfikuje spawanie konturowe, quasi-symultaniczne, symultaniczne i maskowe, wraz z nowszymi strategiami, pod względem ich charakterystyk energetycznych i termicznych oraz określa, jakie warunki materiałowe i geometryczne sprzyjają danemu wariantowi. Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737

Przegląd materiałów i procesów z parametrami optycznymi. Ten przegląd podsumowuje źródła wiązki, materiały, warianty procesu i cechy jakościowe oraz zawiera porównawcze wartości głębokości penetracji dla różnych tworzyw termoplastycznych przy 940 nm, 1064 nm i 1550 nm – przydatną podstawę do wyboru długości fali. Gonçalves, Duarte, Martins, Paiva (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931

Modelowanie pola temperatury i rozpraszania. Ten przegląd ocenia modele numeryczne pola temperatury, pola naprężeń, przepływu stopionego materiału i degradacji termicznej oraz pokazuje, że modele pomijające rozpraszanie światła systematycznie zawyżają szczytowe natężenie i zaniżają szerokość spoiny. Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125

1. DVS 2243 (2014): Zgrzewanie laserowe tworzyw termoplastycznych (tylko w języku niemieckim). DVS Media, Düsseldorf – norma procesowa obejmująca urządzenia, technologię procesu i zapewnienie jakości.
2. DVS 2243 Suplement 1 (2007): Wyznaczanie transmitancji elementu przepuszczającego laser w zgrzewaniu laserowym transmisyjnym tworzyw termoplastycznych (tylko w języku niemieckim). DVS Media, Düsseldorf – definiuje zasady pomiaru mocy, pomiaru fotometrycznego i widmowego oraz wielkości R, T i A.
3. DIN EN ISO 13468-1/-2: Tworzywa sztuczne – Oznaczanie całkowitej przepuszczalności światła materiałów przezroczystych. Podstawa normatywna dla pomiarów transmitancji w widzialnym zakresie widmowym; tylko częściowo przenośna na długości fal procesowych w podczerwieni bliskiej (NIR).
4. DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03: Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących. Podstawa spójności pomiarowej odczytów transmitancji i wzorców odniesienia.
5. Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737, oraz Xu i inni (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131 – recenzowane opracowania dotyczące strategii napromieniowania i rozpraszania.
6. Gonçalves i inni (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931, oraz Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125 – przegląd oraz prace modelowe dotyczące materiałów, doboru długości fali i modeli rozpraszania.

Dane rynkowe przedstawione w części dotyczącej rozwoju technologii laserowej opierają się na komercyjnych badaniach rynku zgrzewania laserowego tworzyw sztucznych, odniesionych do 2025 roku, z horyzontem prognozy do 2032 roku; służą one jako wartość orientacyjna, a nie dokładna liczba.

Jak mierzy się transmitancję w zgrzewaniu laserowym doczołowym?
Mierzony jest stosunek mocy promieniowania przechodzącego przez element do mocy padającej, przy długości fali procesowej. Powszechnie stosowane metody to pomiar mocy, fotometryczny pomiar jednej długości fali oraz pomiar widmowy. Odczyt jest ważny tylko dla konkretnej grubości elementu, geometrii pomiaru i apertury detektora użytych podczas pomiaru i bez ich podania nie jest porównywalny.

Jaka długość fali jest odpowiednia do badania transmisji?
Decydująca jest późniejsza długość fali procesowej. W przypadku procesów z laserem diodowym punktem odniesienia stało się 980 nm, ponieważ mieści się ono w dominującym przemysłowo zakresie od 800 do 1100 nm. W przypadku procesów bezabsorberowych przy długości fali od 1500 do 2000 nm pomiar przy 980 nm nie jest miarodajny, ponieważ obowiązują tam inne mechanizmy absorpcji.

Jaka transmitancja jest wymagana?
Nie istnieje uniwersalny próg, ponieważ wymagana transmitancja zależy od mocy lasera, prędkości posuwu, wielkości plamki oraz właściwości absorbera. W praktyce dąży się często do wartości powyżej 20 do 30 %. Bardziej sensowne jest wyprowadzenie wymagania z energii liniowej potrzebnej w płaszczyźnie złącza niż z ogólnej wartości.

Dlaczego laser nie zgrzewa mimo wystarczającej mocy?
W większości przypadków do płaszczyzny złącza dociera zbyt mała część promieniowania. Przyczyny obejmują rozpraszanie na krystalitach, włóknach szklanych lub pigmentach, zbyt dużą napromieniowaną grubość ścianki, odbicia Fresnela na granicach ośrodków lub szczelinę złącza, która przerywa przewodzenie ciepła do przezroczystego elementu łączonego. Ustawiona moc wyjściowa nic o tym nie mówi.

Jaka jest różnica między transmisją kierunkową a rozproszoną?
Transmisja kierunkowa obejmuje jedynie niemal nieodchyloną część promieniowania; transmisja całkowita dodatkowo uwzględnia część rozproszoną, mierzoną za pomocą kuli całkującej. W przypadku materiałów rozpraszających obie wartości znacznie się różnią. Transmisja całkowita opisuje bilans energii; pomiar ograniczony aperturą opisuje natężenie skuteczne w przekroju spoiny.

Jak włókna szklane wpływają na przezroczystość laserową?
Włókna szklane zmniejszają transmisję głównie poprzez rozpraszanie. W PA6 wzmocnionym krótkimi włóknami szklanymi przekazywana energia laserowa spada z około 70 % do około 20 % wraz ze wzrostem zawartości włókien do 63 % wag. Lokalna orientacja włókien dodaje kolejny efekt, dlatego różnice transmisji występują w obrębie pojedynczego elementu formowanego wtryskowo.

Dlaczego wartość z karty katalogowej nie zastępuje pomiaru na poziomie elementu?
Karty katalogowe podają wartości dla standardowych płytek o określonej grubości. W rzeczywistym elemencie lokalizacja wlewka, droga przepływu, linie zgrzewania, temperatura formy oraz zmienność grubości ścianki zmieniają krystaliczność i rozkład włókien. Skutkiem są różnice transmisji w obrębie jednego elementu, które ujawnia jedynie pomiar rozdzielczy przestrzennie wzdłuż konturu spoiny.

Kiedy konieczny jest widmowy pomiar transmisji?
Przy zmianach materiału lub receptury, zmianach barwników, analizie reklamacji oraz w przypadku procesów bezabsorberowych. Tylko widmo pokazuje, czy zmiana transmisji wynika z dodatkowej absorpcji, czy ze zmienionego rozpraszania. Absorpcji można uniknąć poprzez wybór innej długości fali; rozpraszanie można rozwiązać jedynie poprzez recepturę, przetwarzanie lub grubość elementu.

Pytanie o to, jaką część promieniowania przepuszcza dany materiał, pojawia się także w pokrewnych dziedzinach: optyka i komponenty precyzyjne obejmuje transmisję i rozpraszanie na powierzchniach optycznych, w przemyśle motoryzacyjnym części z tworzyw sztucznych łączone są za pomocą tych samych procesów, a wytwarzanie addytywne wnosi klasę materiałów, których rozpraszanie zależy od kierunku budowy. Pokrewne procesy łączenia i klasy elementów opisują klejenie, zalewanie i hermetyzacja UV oraz elektronika i półprzewodniki. Pełny obraz przedstawia przegląd zastosowań UV.

Transmitancję laserowo przezroczystego elementu łączonego można zmierzyć przy odpowiedniej dla procesu długości fali, w rzeczywistej geometrii części oraz wzdłuż planowanego konturu spoiny. Odpowiednimi przyrządami do tego celu są fotometr procesowy ZPM do pomiaru przy ustalonej długości fali oraz spektrofotometr Cary 60 do pomiaru transmisji z rozdzielczością widmową; przy projektowaniu łańcucha pomiarowego – od wyboru długości fali, przez geometrię pomiaru, aż po spójne pomiarowo wzorcowanie – do dyspozycji Państwa jest laboratorium aplikacyjne. Skontaktuj się z nami.