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激光工艺透射测试——测量热塑性塑料的激光透过率

透射测试用于确定激光辐射中有多少比例穿过激光透过侧的连接件,从而真正到达接合面。在热塑性塑料的激光透射焊接中,熔融并非发生在激光设定的位置,而是发生在光子实际到达的位置。二者之间存在界面反射、体内吸收,以及对于半结晶、填充或含颜料材料而言的散射。因此,真正重要的是工艺波长下的光谱透过率、穿过工件的光程长度,以及出射辐射的角度分布。只有这些量才决定了接合面处的强度、线能量和温度场,并进而决定焊接的可重复性。

激光塑料焊接技术如何发展?

从技术角度看,最重要的是价值链内部的转移:

细分领域驱动因素对检测的影响
汽车/电动出行传感器外壳、ECU盖板、流体元件、电池周边部件紧密、无颗粒的焊缝;100%材料释放证明
医疗技术与诊断微流控卡盒、套管外壳、一次性传感器经过验证、可追溯的测量链;小壁厚下的严格公差
电子/连接技术微型化外壳、气密密封透射测量的高空间分辨率
消费品/白色家电有色和白色颜料填充零件散射成为限制因素

其因果链条是一致的:小型化和功能集成使接合区域和壁厚不断缩小。这缩小了可容许的能量裕度,因为相同的绝对偏差会产生更大的相对误差。与此同时,填充和有色化合物的比例正在上升,其光学特性因批次和位置而异。这两种效应共同将质量保证的重点从焊后焊缝检测前移到了焊前的材料检测。

在医疗技术领域,法规要求最为严格:欧盟法规2017/745(MDR)结合EN ISO 13485(第7.5.6条)要求,对于结果无法进行非破坏性检验的工艺——流体通道的接合正是其中之一——必须进行带有文档化工艺限值的工艺验证。接合件的透射率是少数几个可以在接合发生之前以非破坏性方式测得的量之一。

以下六项发展正在改变透射检测的要求:

使用铥光纤激光器的无吸收剂焊接。波长约1940 nm的光源利用聚合物自身的吸收特性。检测波长必须随之调整;980 nm的读数将失去意义。

光束整形而非提高功率。对于无散射材料,经过调整的强度分布相比高斯分布能产生更均匀的接合区域。而对于强散射材料,体散射在很大程度上抵消了这些分布差异——这也是在设计光学系统之前先测量散射特性的原因。

仿真驱动的工艺设计。耦合光线追踪与有限元(FEM)模型可同时捕捉散射和热传导。其输入量是测得的吸收系数和散射系数;因此仿真质量直接取决于光学表征的质量。

激光透明黑色着色。不含炭黑的着色剂体系使外观颜色与近红外透射率相互独立。来料检验因此不能再依靠目视判断。

增材制造作为一种新材料类别。在3D打印的接合件中,层间界面和孔隙会形成具有明显方向依赖性的额外散射中心。因此,透射率数值只能在采用相同打印方向的零件之间沿用。

可追溯性作为采购标准。汽车和医疗技术客户越来越要求提供可追溯至ISO/IEC 17025的透射读数,而非制造商内部的参考值。

该应用领域的市场规模、增长率及相关来源汇总于页面紫外技术的市场发展。

激光透射焊接的工作原理

激光透射焊接将两种在光学上与激光辐射相互作用方式不同的热塑性材料连接在一起。上层连接件在加工波长处基本透明;下层连接件则吸收激光辐射——通常通过炭黑实现,或者也可以通过在可见光范围内不明显的近红外吸收剂实现。

激光辐射穿过上层连接件,在接合面处吸收材料的薄表层内转化为热量,并使该处局部熔化。随后,热量通过热传导到达透明连接件,使其同样熔化。在接合压力的作用下,大分子链在界面处相互扩散,从而形成材料结合。

从物理学角度来看,辐射分量之间存在如下平衡关系:

A + R + T = 1

其中,A为吸收率,R为反射率,T为透射率。这三个量均取决于材料、波长和温度,并且始终针对特定的材料厚度而言。在光学不均匀介质中——例如由于玻璃纤维、颜料或晶粒的存在——散射还会使辐射偏离其原始传播方向,而不将其吸收。

典型的加工波长为800~1100 nm,因为大多数未着色的热塑性材料在该范围内吸收较弱。980 nm已成为透射测试的参考波长,因为它正好位于工业用二极管激光波长范围的中心。

采用哪些技术和工艺变体?

工艺变体决定了透射测试需要多少个测量点,以及局部透射变化对结果的影响程度。

技术特点优点局限性典型应用
轮廓焊接激光光斑沿焊缝扫描一次;局部、移动的熔池光学结构简单,适用于大型零件,轮廓灵活无全局连接路径,对局部透射下降敏感汽车壳体、流体元件
准同时焊接振镜扫描器以高频率反复扫过轮廓连接路径明确,具有间隙容差,可重复扫描轮廓长度和扫描场尺寸受限传感器壳体、小型零件
同时焊接整个轮廓一次性被照射(二极管条阵、光纤阵列)循环时间极短,连接路径均匀需针对零件定制光学系统,工装成本高几何形状固定的大批量生产
掩模焊接掩模限定照射区域,线状光束在其上扫过可实现极细结构,通道宽度 < 1 mm仅适用于扁平零件,掩模成本高微流控芯片、诊断卡盒
径向焊接对旋转对称零件进行周向照射可实现紧密的圆形焊缝需按角度检测透射率滤芯、阀门、接头
无吸收剂焊接约1500至2000 nm的波长利用聚合物自身的吸收特性可连接两种透明材料,无需添加剂工艺窗口窄,焦点位置至关重要透明微流控器件、光学元件

在光源方面,波长为808至980 nm的二极管激光器因其电光转换效率高、结构紧凑而占据主导地位。波长为1064 nm的光纤激光器具有更好的光束质量和更小的聚焦直径。约1940 nm的铥光纤激光器利用聚合物自身的C-H和O-H泛频吸收,可在无需吸收剂的情况下实现连接;在该工艺中,能量沉积从界面转移到两种材料的体内。

对测试规划而言重要的是:透射测试必须在后续焊接所使用的波长下进行。在980 nm下测得的数值不能套用于1940 nm的工艺,因为该工艺有意利用了在980 nm下应避免的吸收带。

哪些工艺参数起决定性作用

工艺波长下的透过率 T。它直接决定接合缝处可用的功率:Pjoint = T · Plaser。透过率从45%降至35%意味着接合面处的能量减少22%——而系统参数保持不变。

光路长度。透过率并非材料常数,它只适用于特定厚度。壁厚过渡、加强筋、倒角以及斜向照射区域会延长光路,一旦散射占主导,就会不成比例地降低T值。

散射与角度分布。散射辐射并未损失,而是以扩散的方式、较低的峰值强度到达接合平面。焊缝因此变宽,峰值温度降低。因此,两个总透过率相同的部件可能产生不同的焊接结果。

下部接合件的吸收率。辐射在吸收性接合面中的穿透深度决定了热量是在一个区域内形成,还是集中在极薄的一层内。吸收剂浓度过高会使能量集中在几微米范围内,从而促使热损伤和放气现象。

强度与作用时间。决定结果的不仅是能量本身,还有能量随时间的分布。强度I = P/A与作用时间t = dspot/v共同决定所达到的峰值温度;热传导则作为竞争性损耗机制发挥作用。

接合压力与间隙。气隙几乎完全中断了向透明接合件的热传导,因为空气的导热系数比热塑性塑料低约两个数量级。

部件温度与湿度。光学特性与温度有关;对于聚酰胺而言,吸湿还会因增加O-H倍频吸收带而改变其近红外吸收特性。这一点对无吸收剂工艺而言很重要;对于980 nm工艺则通常是次要因素。

哪些因素限制工艺或导致误差

本节总结了实践中最常遇到的误解。

数据表数值不适用于实际部件。复合材料数据表给出的是特定厚度的注塑标准板的透过率数值。在实际部件中,纤维取向、熔接线、浇口位置、模具温度和局部冷却速率会改变结晶度和纤维分布。结果是在同一部件内、名义上相同的材料中,透过率差异可达数个百分点。

名义上足够的激光功率并不能保证焊接面处的功率。所标称的数值是光源的光输出功率。在光源与接合面之间存在光学损耗、两个界面处的菲涅尔反射、体吸收和散射。基于设定功率进行的工艺认可会系统性地高估实际可用的能量。

电输入功率并非光学剂量。二极管激光器的电光转换效率通常为40%~60%,并随结温升高而下降。基于电输入功率的工艺控制既无法反映二极管棒的老化,也无法反映保护窗口的污染。

方向透过率与漫透过率被混淆。积分球捕获半球总透过率,对散射材料给出较高的数值。狭窄的探测器光阑仅捕获准直部分,给出较低的数值。这两个数值都是正确的,只是回答不同的问题:总透过率描述能量平衡,光阑限制测量描述集中在焊缝截面内的强度。若不说明测量几何、光阑尺寸和探测器距离,散射部件的透过率数值便不具有可比性。

在错误的位置进行测量。在接合区域外的平整参考区域上进行的测量,既无法反映壁厚过渡,也无法反映沿焊缝的局部纤维聚集。有意义的是沿计划焊接轮廓的透过率分布,而不是单一数值。

在错误的波长下进行测量。按照ISO 13468测定的总透光率针对的是可见光谱范围,对近红外工艺波长并无意义。反之,较高的近红外透过率也不能说明外观颜色——那些在近红外范围内保持透明的激光焊接黑色复合材料,正是利用了这种解耦关系。

在互易律不成立的情况下假设其成立。"功率加倍、曝光时间减半即可得到相同结果"这一观点,仅在热传导可忽略时才成立。在较慢的工艺中,热量会流入部件本体,实际达到的峰值温度低于计算值;在极快的工艺中,吸收体的热损伤会限制允许的强度。

将透过率作为唯一的放行标准。T只描述透明侧部件。如果对接侧的吸收体浓度发生变化,能量沉积会随之改变,而透过率测量却无法显示这一点。稳健的材料放行应同时涵盖两个接合部件。

低估了散射试样的位置公差。对于强散射部件,显示的透过率明显取决于试样在测量头中的位置和取向。若没有明确、可重复的部件夹具,测量离散度可能超过其本应检测的材料差异。

哪些材料、光谱和几何效应至关重要?

结晶度。半结晶热塑性塑料,如PA、PP、POM和PBT,含有球晶,其折射率与非晶相不同。辐射在这些界面处发生散射。因此,非晶材料,如PC、PMMA和PS,表现出明显更高的定向透射率。由于结晶度取决于冷却速率,模具温度和壁厚直接影响激光透射率——一个成型工艺参数变成了焊接工艺的光学参数。

玻璃纤维。增强纤维主要通过散射而非吸收降低透射率。针对短玻璃纤维增强PA6的研究表明,随着纤维含量从0增加到63 wt.-%,透射的激光能量从约70%降至约20%;在0~50 wt.-%之间,散射比例最多增加约50%。纤维取向在实践中同样重要:流动对齐区域与焊缝区域的有效散射存在差异。

矿物填料。在相同质量分数下,滑石粉、碳酸钙和玻璃微珠对透射率的降低远比玻璃纤维更明显。玻璃微珠甚至在壁厚较小时也可能阻碍透射焊接。

颜料。不透明白色颜料,尤其是二氧化钛,基本上不适用于激光透明零件,因为其散射对波长的依赖性较弱,在近红外区域的作用与在可见光区域相似。相反,在吸收侧添加炭黑是可取的;仅0.05至0.5%的质量分数就已能产生足够的吸收。

零件厚度。对于散射性材料,透射损耗的增长速度快于纯吸收模型的预测,因为多重散射会不成比例地增加光子的平均路径长度。对于POM或PBT等强散射材料,这在实践中将透明侧的厚度限制在几毫米以内;对于PEEK,这一限制更为严格。

几何形状与入射角。在曲面和径向焊缝处,辐射以一定角度入射。辐照路径长度随1/cos θ增大,而菲涅尔反射率同时随入射角增大而上升。这两种效应都会在材料本身未发生变化的情况下,降低到达接合处的功率。因此,对于旋转对称零件的透射测试,应在实际工艺几何条件下进行。

比尔-朗伯定律、菲涅尔损耗与模型的局限性

最简单的透射定量描述将菲涅尔界面反射与比尔-朗伯体吸收结合在一起:

T = (1 − R)2 · e(−α · d)

其中

  • T 透射率(无量纲)
  • R 法向入射时单个界面的反射率,R = ((n − 1)/(n + 1))2
  • n 聚合物的折射率(PA6:≈ 1.53;PC:≈ 1.58;PMMA:≈ 1.49)
  • α 工艺波长下以 mm−1 为单位的吸收系数
  • d 以 mm 为单位的辐照厚度

菲涅尔项的影响。对于 n = 1.53 的PA6,每个界面的R ≈ 4.4%。因此,即使是完全无吸收、无散射的部件,也只能达到 T ≈ 91.4%。对于未涂层的塑料表面,超过该数值的透射率要求在物理上是无法实现的。

模型的假设条件。比尔-朗伯定律假设介质是均匀且无散射的,辐射是单色的,传播是准直的,且相互作用是线性的。因此,该定律仅近似适用于无定形、未填充的热塑性塑料。

局限性。一旦出现散射——实际上几乎所有半结晶、填充或着色材料都会出现这种情况——α就不再仅仅描述吸收,而是成为综合吸收与散射的有效消光系数 µext = µa + µs。这一区分对工艺至关重要:被吸收的辐射对接合面而言已经损失,而被散射的辐射仍能到达接合面,只是在空间上被分散。仅测量准直分量的测量方法无法重建能量平衡。要得到物理上正确的描述,需要用到辐射传输方程——实际中通常通过Kubelka-Munk型双通量模型,或蒙特卡洛与光线追踪方法来近似求解——从而将辐射分为吸收、前向散射和后向散射三部分。

实际影响。对于散射材料,只有当测量几何结构与工艺几何结构相似时——包括相同的波长范围、相近的光束直径、确定的探测器孔径,以及部件底面与探测器之间确定的距离——单一的透射率数值才是有意义的工艺参数。这正是工艺标准要求注明测量原理(功率测量、光度测量或光谱测量)的原因所在。

实例演算:透过率下降12个百分点会带来多大影响?

1. 假设条件。使用980 nm二极管激光对壁厚2 mm的PA6-GF30外壳进行轮廓焊接,光学输出功率P0 = 40 W,接合面处光斑直径dS = 1.5 mm,进给速度v = 100 mm/s。透过率放行值T1 = 42%;在局部纤维堆积区域测得T2 = 30%。

2. 模型。
PF = T · P0  ·  El = PF / v  ·  I = PF / A  ·  t = dS / v  ·  H = I · t

3. 计算

项目放行范围(T = 42%)纤维堆积区域(T = 30%)
接合处功率 PF16.8 W12.0 W
线能量 El0.168 J/mm0.120 J/mm
光斑面积 A0.0177 cm²0.0177 cm²
强度 I约950 W/cm²约679 W/cm²
作用时间 t15 ms15 ms
面能量密度 H约14.3 J/cm²约10.2 J/cm²

4. 结果。透过率下降12个百分点,会使接合面处可用能量减少约29%。

5. 技术解读。从理论上看,可以通过将输出功率提高到约56 W,或将进给速度降低到约71 mm/s来补偿这一损失。然而,这两种方法并不等效:提高功率会提升吸收体内的峰值温度,从而增加热损伤和析气的风险;降低进给速度则会延长热传导时间,并扩大热影响区。此外,这种补偿也并非严格线性关系,因为熔层厚度同样取决于热传导。因此,与其笼统地提高参数,不如采用空间分辨的透过率检测方法——它既可以实现按位置调整功率,也可以在接合前将不合格部件筛选出来。

以下计算器可用于评估您自己的读数:输入样品前后的功率,即可得出透射率、损耗、衰减(以分贝表示)以及光密度。当 T1 = 42% 时,约为 3.8 dB;降至 30% 时对应 5.2 dB,即光路中衰减增加了 1.4 dB 左右。该换算按每个波长分别进行;测得的功率已包含两个界面处的菲涅尔损耗。

该计算器完全在您的浏览器中运行,不会传输任何数据。

透射测试应用于哪些领域?

汽车与电动出行。传感器外壳、ECU盖板、膨胀水箱和流体歧管主要由玻璃纤维增强聚酰胺和PBT连接而成。这里重要的是批次间及位置间纤维含量的差异,因为同一套系统参数设置必须在材料批次不断变化的情况下持续运行数月之久。关键的工艺量是沿环形密封焊缝的透射曲线,而非平均值。

医疗技术与体外诊断。微流控卡盒中包含仅几百微米宽的通道。熔融区过宽会使通道变窄或堵塞。由于连接后无法对焊缝进行完整的非破坏性评估,质量保证的重点转移到了材料放行环节。这里重要的是测量的空间分辨率以及测量链的计量溯源性。

电子与传感器。对于气密性外壳而言,焊缝质量决定了防护等级,进而决定了对湿气和介质的耐受性——在电子与半导体制造领域,沿整个轮廓的能量输入的可重复性同样至关重要,特别是在拐角处,因为路径减速会改变相互作用时间。

光学与光子学。对于由PC或PMMA制成的导光件、镜头支架和盖板,存在双重要求:连接工艺所需的高近红外透射率,以及预期光谱范围内的确定透射率——这与光学精密部件中所见的双重要求相同。这两个量必须分别测试,因为它们涉及不同的波长范围。

包装与消费品。在连接薄膜和半成品时,厚度依赖性起主导作用:对于PA6/PP薄膜层压材料,随着薄膜厚度增加,可实现的焊接速度会显著下降,因为需要熔化更多材料,且热塑性塑料较低的导热性限制了工艺时间。

研究与材料开发。在开发激光透明化合物时,覆盖600至2000 nm的光谱分辨透射率是核心评估量,因为它能显示配方变化是改变了吸收还是散射特性。

两个透明连接件、黑色化合物与散射分别适用什么原则

两个透明连接件。在约1500~2000 nm波长范围内进行的无吸收剂焊接,利用的是聚合物自身的吸收特性。此时能量并非沉积在界面处,而是分布于整个体积中;熔化区的位置由聚焦位置决定。此处的透过率测试必须在实际工艺波长下进行,因为其光学特性与980 nm下的特性有本质差异。另一种方法是使用在可见光范围内透明的近红外吸收剂,将其作为薄夹层置于接缝间隙中。

外观黑色的透明部件。不含炭黑的着色体系可以制成外观呈深黑色、同时具有高近红外透过率的部件。此类化合物的放行只能通过近红外透过率测量来判断;仅凭目视评估在系统上会产生误导。

强散射材料。对于POM、PBT及高填充化合物,透明连接件的厚度在实际应用中通常限制在一到两毫米。经过调整的辐照策略——例如将光束整形为平顶或双峰强度分布,或采用多次扫描——可在一定程度上补偿因散射导致的光斑展宽。

壁厚变化较大的情况。对于沿焊缝方向壁厚存在变化的部件,采用与位置相关的功率控制是值得的。该方法依赖于事先测得的透过率分布,并将其输入路径控制器中。

需要测量或监测哪些量?

测量哪个量?需要的是激光透明连接件在工艺波长下的透过率,并连同测量位置处的部件厚度一并给出。对于材料开发和失效分析,还需要光谱分辨的透过率;对于批量检测,单波长测量通常已经足够——相关的基础量总结在辐射度量学参量概览中。

在哪里测量?在部件上、在连接几何结构中,以及沿计划的焊接轮廓。沿焊缝的测量网格可以揭示单点测量无法发现的纤维聚集、熔接线和壁厚过渡。

哪些测量不确定度需要关注?

  • 光源因老化和温度产生的漂移——可通过双光束结构和内部参考二极管加以限制
  • 生产环境中的环境光——可通过调制光源和同步检测加以降低
  • 试样定位的不确定度——对于散射性部件通常是主要影响因素,只能通过针对部件的可重复夹具来控制
  • 探测器孔径和距离的定义——决定了捕获到的散射比例
  • 读数的计量溯源性——通过已知透过率的参考标靶,以及在通过ISO/IEC 17025认可的实验室中进行的校准来实现

何时宽波段或单波长测量已经足够?对于光谱特性已知的合格化合物,在工艺波长下进行测量即可,因为只需检测与已知状态的偏差。

何时需要光谱测量?在材料或配方变更、着色剂变化、投诉分析以及无吸收剂工艺中需要。只有光谱才能显示透过率的变化是源于新增的吸收带,还是源于散射特性的改变——前者可以通过选择不同波长来避免,后者则不能。

何时需要空间分辨或时间分辨测量?对于纤维分布不均或壁厚可变的部件,以及焊缝宽度小于约一毫米的情况,需要空间分辨测量。对于存在热反馈、光学特性在焊接过程中发生变化的工艺,需要时间分辨测量。

在批量生产中,透过率检测正日益成为连接工序之前的制造环节,而不再仅仅是实验室步骤。

前置部件检测。测量系统沿焊接轮廓——可手动定义或取自CAD数据——进行追踪,并生成透过率分布图。其技术意义并不在于数据传输本身,而在于可以在不可逆的连接工序之前将部件剔除。这样可以避免将两个部件粘接在一起,而其中一个实际上并不可焊接。

自适应功率控制。如果将透过率分布传递给系统控制器,就可以逐点调整激光功率,使连接平面处的线能量保持恒定,而不是保持设定的输出功率恒定。这样就将控制变量从系统参数转变为物理上真正起作用的量。

过程中监测。高温测量和热成像可在焊接过程中捕捉表面温度。对于使用较长波长辐射的无吸收剂工艺,这种方法存在局限,因为工艺辐射与所测的热辐射在光谱上存在重叠。相比之下,准同步焊接中的接合路径测量可直接提供熔融体积的机械测量值。

数据反馈与可追溯性。将部件识别、透过率分布和焊接参数关联起来,可实现跨批次的统计过程控制,并在材料漂移导致废品之前将其揭示出来。对于受监管行业而言,这也是所需工艺验证的一部分。

只有在解决了这些问题之后,才需要选择合适的仪器:用于生产线上对平坦部件区域进行单波长检测的夹式过程光度计,用于在材料样品上测定定向和漫射透过率的配备积分球的分光光度计,以及用于对整条测量链进行计量溯源的认可校准。

科学文献有哪些发现?

散射是填充热塑性塑料中的主要损耗机制。本研究考察了零件厚度、玻璃纤维含量和结晶度如何改变激光透射焊接过程中的光散射。研究通过实验将吸收与散射的比例区分开来,结果表明,增强型聚酰胺中透射率的损失主要源于散射而非吸收——这一结果解释了为何单纯提高功率无法恢复焊缝质量。Xu, Parkinson, Bates, Zak (2015), Optics & Laser Technology 75, 123–131

针对强散射材料的辐照策略。本研究考察了适用于高体积散射聚合物的辐照策略调整方案。研究表明,一旦提前掌握透明配合件的散射特性,通过调整光强分布即可拓宽工艺窗口。Frick, Schkutow (2018), Procedia CIRP 74, 538–543

辐照方式的系统性综述。本综述根据能量与热特性对轮廓焊接、准同步焊接、同步焊接、掩模焊接及较新的辐照策略进行了排序,并总结出哪些材料与几何条件适合采用哪种方式。Acherjee (2021), Optics & Laser Technology 137, 106737

材料与工艺概述及光学参数。本概述总结了光束光源、材料、工艺变体及质量特性,并给出了多种热塑性塑料在940 nm、1064 nm和1550 nm下的穿透深度对比数据——为波长选择提供了有用的参考依据。Gonçalves, Duarte, Martins, Paiva (2021), Infrared Physics & Technology 119, 103931

温度场与散射的建模。本综述评估了针对温度场、应力场、熔体流动及热降解的数值模型,并指出忽略光散射的模型会系统性地高估峰值强度、低估焊缝宽度。Hu, Li, Zuo (2023), Polymers 15, 2125

技术背景与延伸阅读

  1. DVS 2243(2014):热塑性塑料的激光焊接(仅德文版)。DVS Media,杜塞尔多夫——涵盖设备、工艺技术与质量保证的工艺标准。
  2. DVS 2243 附页 1(2007):热塑性塑料激光透射焊接中激光透明接合件透射率的测定(仅德文版)。DVS Media,杜塞尔多夫——规定了功率测量、光度测量与光谱测量的测量原理以及 R、T 和 A 等量。
  3. DIN EN ISO 13468-1/-2:塑料——透明材料总透光率的测定。可见光谱范围内透射测量的规范性基础;仅部分适用于近红外工艺波长。
  4. DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03:检测和校准实验室能力的通用要求。该标准是透射测量值与参考标准计量溯源性的基础。
  5. Acherjee(2021),Optics & Laser Technology 137, 106737,以及 Xu 等人(2015),Optics & Laser Technology 75, 123–131——关于辐照策略与散射的同行评审背景资料。
  6. Gonçalves 等人(2021),Infrared Physics & Technology 119, 103931,以及 Hu, Li, Zuo(2023),Polymers 15, 2125——关于材料、波长选择与散射模型的综述与建模工作。

激光技术发展一节中的市场数据基于有关塑料激光焊接的商业市场研究,以 2025 年为基准年,预测期至 2032 年;这些数据仅用于说明量级,并非精确数值。

激光透射焊接中透射率测试常见问题

激光透射焊接中如何测量透射率?
测量的是在工艺波长下,穿过工件的辐射功率与入射功率之比。常见方法包括功率测量、单波长光度测量和光谱测量。该读数仅对所使用的特定工件厚度、测量几何结构和探测器孔径有效,若不说明这些条件,数值将不具可比性。

透射率测试应选用哪个波长?
重要的是后续工艺所使用的波长。对于二极管激光工艺,980 nm 已成为参考波长,因为它属于工业中占主导地位的800~1100 nm范围。对于1500~2000 nm的无吸收剂工艺,在980 nm下测量没有意义,因为在该范围内适用不同的吸收机制。

需要多高的透射率?
并不存在通用的阈值,因为所需的透射率取决于激光功率、进给速度、光斑尺寸和吸收剂特性。实践中通常以高于20~30%为目标。相较于一个笼统的数值,从接合面所需的线能量出发来推导要求更为合理。

为何激光功率充足却仍无法焊接?
大多数情况下,是因为到达接合面的辐射比例过小。原因可能包括结晶体、玻璃纤维或颜料造成的散射、被照射壁厚过大、界面处的菲涅尔反射,或接合间隙中断了向透明部件的热传导。所设定的输出功率对此并无任何说明。

定向透射与漫透射有何区别?
定向透射仅捕捉近乎未偏转的部分;总透射还额外包含散射部分,需用积分球测量。对于散射性材料,两者数值差异显著。总透射描述的是能量平衡;受孔径限制的测量则描述焊缝截面内实际起作用的强度。

玻璃纤维如何影响激光透明性?
玻璃纤维主要通过散射降低透射率。在短玻璃纤维增强的PA6中,随着纤维含量升高至63 wt.-%,透射的激光能量从约70%降至约20%。局部纤维取向还会带来额外影响,这也是为何同一注塑件内会出现透射率差异的原因。

为何数据表数值无法替代工件级测量?
数据表给出的是针对特定厚度标准样板的数值。而在实际工件中,浇口位置、流动路径、熔接线、模具温度以及壁厚变化会改变结晶度和纤维分布。其结果是同一工件内部出现透射率差异,只有沿焊缝轮廓进行的空间分辨测量才能揭示这一点。

何时需要进行光谱透射测量?
在材料或配方变更、着色剂变更、投诉分析以及无吸收剂工艺中均有必要。只有光谱才能显示透射率变化是源于额外吸收还是散射改变。吸收可通过选择不同波长来避免;而散射只能通过配方、加工工艺或工件厚度加以解决。

相关应用领域

材料能透过多少辐射这一问题,在相邻领域同样存在:光学与精密元件涉及光学表面的透射与散射,汽车行业中塑料件也采用相同工艺进行连接,而增材制造则贡献了一类散射特性取决于成型方向的材料。相邻的连接工艺与零件类别可参见紫外粘接、灌封与封装以及电子与半导体。完整概览请见紫外应用总览。

主题专家

作者:Dr. Mark Paravia

Dr.-Ing. Mark Paravia是位于Ettlingen的Opsytec Dr. Gröbel GmbH的总经理,并负责管理该公司已获认可的校准实验室。在KIT照明技术研究所从事脉冲氙气准分子放电研究之后,他目前专注于光学辐射测量技术领域。他是DIN标准委员会FNL 7"光学辐射"的副主席,同时也是DVGW紫外线消毒项目组的成员。

不确定实际到达接合间隙的激光功率有多少?又有多少因散射和反射而损失?

可以在相关工艺波长、真实零件几何形状以及计划的焊接轮廓上,测量激光透明连接件的透过率。适用于此目的的仪器包括用于固定波长测量的ZPM工艺光度计,以及用于光谱分辨透过率测量的Cary 60分光光度计;在设计测量链方面——从波长选择、测量几何形状到可溯源的校准——应用实验室随时为您提供支持。欢迎联系我们。