用于激光焊接的热塑性塑料的光学特性模拟.docx
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用于激光焊接的热塑性塑料的光学特性模拟
用于激光焊接的热塑性塑料的光学特性研究
——散射率、吸收率、透射率、反射率
宗钰
指导老师王传洋
关键词：
激光焊接散射吸收透射反射光学性质
摘要：
是否掌握塑料红外波长的光学性质对于激光焊接过程来说举足轻重。
这项研究，通过分光光度计的积分球探究了聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）等塑料的散射率、吸收率、透射率、反射率等光学性质；估算了厚度、表面粗糙度以及填充剂含量对热塑性塑料光学性质的影响。
研究成果归功于对实验过程本身的理解和实际操作的成功。
引言
用红外与激光焊接塑料材料已经发展了很多年，但是直到最近，随着激光和激光二极管价格的降低以及对焊接件质量的更高要求，这种焊接技术才得以普及。
激光焊接较传统的塑料焊接方法而言表现出了巨大的潜在优势：
产生较少的焊接光，高弹性，无飞边，同时可达到高强度焊缝，避免与焊接工具直接接触，焊接速度快，焊接残余应力相对较低，不会产生划痕，容易实现自动化。
图1.解释了激光焊接的原理。
激光焊接必须建立在有红外透射焊件和吸收焊件的基础上。
两焊件由夹具固定，激光束通过透明焊件时，由于染色剂、添加剂、填充剂和晶体结构的影响，一些能量被吸收，一些被散射，导致焊件的发热、热膨胀和热传递；剩余的能量在进入吸收焊件后，由于吸光染色剂（通常为碳黑）的作用，以较高的速率被吸收，导致吸收焊件边缘的接触面受热（熔化），膨胀，然后热量耗散。
理想情况下，两焊件之间紧密接触，从而发生热传递。
而在实际焊接时，由于夹具压力或焊件的热膨胀，焊件会发生接触。
当透射焊件或吸收焊件材料熔化导致焊接面熔融时，分子就会扩散。
最后随着冷却完成，零件就焊在一起了。
激光焊接的一个关键点在于，在熔融阶段，接合处的热塑性塑料必须保证充足而且连续的热量。
因此，理解热塑性塑料的光学性质对于建模和优化激光焊接有着至关重要的作用。
然而，对于厚度、表面粗糙度、填料含量对热塑性塑料光学性质的影响的已有研究却相对较少。
这项研究目的在于体现PP、PC、PA6的散射、吸收、透射、反射特性，以调查厚度、表面粗糙度、填料含量的影响。
图1.激光焊接图示
测量散射率和估算吸收率的原理
当激光束入射到不均匀的塑料样本上时，入射光束在样本表面被分离为镜面反射光、漫反射光和透射光。
透射光线由于反射作用而逐渐减少。
当透射光穿过样品层时，光能被两个独立的过程耗散。
其一，由于折射率大幅波动引起的散射。
在半结晶型塑料中，折射率的波动是由分散出光的微晶的排列方式导致的；在不均匀塑料中，散射强度由个别添加剂所影响。
散射光从主波束分散传播到各个方向去。
其二，吸收过程，光能转化为热量。
在样品的远端表面，有些光被反射，进而发生散射，有较弱的光线从样品表面射出。
热塑性塑料的散射率定义为散射量与入射量的比。
图2.为散射率测量装置
的积分球。
测量装置中，将样品放在球体的入口处，入射光线射到样品上，一部分通过样品，直接通过的光线从打开的出口处射出，被捕获器吸收。
散射光线收集在球体中，由探测器测量。
探测器上必须安有挡板，避免直接光照。
由于物质的相互作用，吸收过程将光源能量转化为其他形式的能量，如热量。
吸收率定义为吸收的辐射功率与总辐射功率的比。
在近红外领域，塑料的吸收率相对低一些。
吸收率近似为：
A=1-T-R
（1）
其中，A为吸收率，T为透射率，R为反射率。
透射和反射性质的测量方法
实验使用UV-VIS-NIRCary500分光光度计的积分球来研究波长范围从250nm到2500nm的透射和反射性质。
累计球内壁涂上了聚四氟乙烯，以减少光线的吸收。
热塑性塑料的透射率定义为透射光源功率与入射辐射功率的比。
图3.是完整的透射率测量装置。
将样品放在透射率测量仪的积分球入口处，入射光射到样品表面，一部分通过样品射出。
有规律扩散的透射光被积分球收集，使用探测器测量。
探测器上方必须用挡板隔离，避免光直射。
图4.是反射率测量装置。
在反射率测量装置中，样品放置在与入口相对的出口处。
入射光在样品表面被反射。
漫反射和镜面反射的光线都被累计球收集起来。
入射角为3°21’。
镜面反射部分射到球壁上，在球内发生漫反射，而不从入口处射出。
实验
本次实验采用的聚合物为AKULON®F223-DHNATL（天然，不含添加剂）和AKULON®K224-HG6NATL（天然,添加30%玻璃纤维）聚酰胺6（即PA6）多种IXEF®聚芳酰胺（即PAmXD6），Makrolon®AL2647-551070聚碳酸酯（即PC），，以及MFI为2的聚丙烯1042（简称PP）。
样品浇注而成，切割成面积近似为100mm*26mm的矩形，PA6，PC，PP三种板的粗糙度等级分别为高（H）、中（M）、低（L），表面粗糙度用粗糙度仪2205来测试，测试结果见图5.和表2.。
PP和PAmXD6板分别有三种厚度：
PP：
0.8mm，1.3mm，3.2mm；PAmXD6：
0.5mm，1.0mm，2.0mm。
表1.含玻璃纤维的PAmXD6
（除102260℃以外，所有零件均在120℃的浇注温度下塑成）
材料符号
玻璃纤维（GF）的百分含量
6002
0
1002
30
1022
50
102260℃
50
1032
60
表2.样品的表面粗糙度
图5.聚合物表面粗糙度的三个等级
结果和讨论
散射率图6.表现了玻璃纤维含量对波长范围250nm到2500nm的PAmXD6的散射率的影响。
当波长范围从600nm到1800nm时，随着玻璃纤维含量从0%上升到50%，散射率逐渐上升。
但随着玻璃纤维含量进一步上升，散射率开始下降，直到玻纤含量60%。
这是由于多重散射引起反向散射，使激光束从样品射出时的光强大于入射光强。
图7.厚度对PP对散射率的影响
图6.PAmXD6的玻璃纤维含量对散射率的影响
图9.PP样品的表面粗糙度对散射率的影响
图8.厚度对玻纤含量50%的PAmXD6散射率的影响
图7.和图8.分别图解了样品厚度对于PP和玻璃纤维含量50%的PAmXD6的散射率影响。
含50%玻璃纤维的PAmXD6散射率随厚度增加而减小，与之相反，PP散射率随厚度增加呈现增大的趋势。
这是由于50%玻璃纤维的PAmXD6，其吸收能力随着厚度增大而增大。
PP样品表面粗糙度对散射率的影响见图9.所示。
表面粗糙度越大，散射率越大。
图11.三种塑料的波长对吸收率的影响
图10.三种塑料的波长对散射率的影响
图10.表现了样品厚度为3.2mm的PA6AKULONF223-DH,PC和PP1042三种材料的波长对散射率的影响。
可见，当波长近似为1200,1400以及1700nm时，PA6和PP1042的散射率有极小值，因为这是塑料吸光带，分子发生共振。
与PA6和PP1042相比，在近红外区域，PC表现出较小的散射率和对波长的相对不敏感性。
相反的，PA6的散射率变化明显取决于波长变化，随着波长增加，散射率降低。
吸收率一般说来，吸收能力由波长决定。
图11.表现了波长对厚度为3.2mm
的PA6AKULONF223-DH,PC和PP1042三种材料的吸收率的影响。
与PA6相反，PC和PP1042在近红外区域内，并不能明显的吸收光强。
透射率图12.表现了玻璃纤维含量对波长范围250到2500nm的PAmXD6的透射率的影响。
可见，在近红外区域内，随着玻璃纤维含量从0%增加到60%，透射率单调递减，这主要是由于玻璃纤维起到了散射粒子的作用，它使内部光线发生反射和折射，因此玻纤含量的增加，引起透射率的变化。
因此，增加了反向散射和侧向散射的可能性。
要注意到，样品的注入条件对透射率同样产生重要的影响。
当模具在低温60℃铸成时，样品透射率远大于常温120℃铸成的零件。
图13.研究了玻纤含量50%的PAmXD6的样品厚度对于透射率的影响。
随着样品厚度增加，透射率逐渐降低。
由于有效光线通路长度增加，反射率增加，导致光散射，引起以上现象。
图13.厚度对50%玻纤含量的PAmXD6透射率的影响
图12.玻纤含量对PAmXD6透射率的影响
图15.波长对厚度均为3.3mm的三种塑料的透射率的影响
图14.表面粗糙度对PC透射率的影响
图14.表现了PC样品表面粗糙度对透射率的影响。
由图知，样品表面粗糙度对透射率影响甚微。
图15.表现了厚度为3.2mm的PA6，PC,PP样品的波长对透射率的影响。
可见，三种塑料波长近似在1200，1400，1700nm处，透射率出现极小值。
这是因为在塑料的吸收带发生共振。
在波长250到1100nm范围内，与PA6和PP相比，PC具有最大的透射率，且透射率受波长影响最小。
相反的，PA6的透射率明显取决于波长变化，一般地，波长越长，透射率越大。
反射率图16.表现了厚度均为3.2mm的PA6，PC，PP的波长对吸收率的影响。
PP和PC对波长变化敏感度不大。
PA6的反射率受波长影响复杂，波长越大，反射率越大，直到500nm时，反射率有最大值28%。
当波长范围500到1200nm时，波长越大，反射率越小。
图16.波长对厚度均为3.2mm的三种塑料的反射率的影响
图17.厚度对玻纤含量50%的PAmXD6的反射率的影响
图17.探究了样品厚度对玻纤含量为50%的PAmXD6的反射率的影响。
随着厚度增大，反射率逐渐增大。
由于贯穿样品层的玻纤分布导致光线的反向散射，从而反射率出现以上变化。
样品层越厚，反向散射越大。
图18.表现了玻纤含量对波长范围250到2500nm的PAmXD6的反射率的影
响。
可见，不含添加剂的PA6反射率最低。
当玻纤含量增加到30%时，反射率上升到最大值。
注意，当玻纤含量从50%上升到60%时，反射率略减小。
假定对反射率而言，玻纤含量存在临界值。
当低于临界值时，玻纤含量促进反向散射。
高于临界值时，促进正向散射。
总结
想要优化激光焊接过程，必须对塑料在红外波长范围内的光学性质有较好的理解。
实验研究了聚丙烯（PP），聚碳酸酯（PC），聚酰胺（PA）的散射率、吸收率、透射率和反射率。
估测了厚度、表面粗糙度以及填料含量对于热塑性塑料光学性质的影响。
结果表明厚度对于散射率、吸收率、透射率和反射率有着很大的影响。
对于增加了玻璃纤维的PA6来说，玻璃纤维（GF）含量越高，散射率越高，透射率单调递减。
样品表面粗糙度对散射率略有影响，样品表面越粗糙，散射率越大，而对透射率无明显影响。
研究成果归功于对实验过程本身的理解和实际操作的成功。
参考文献
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13、Y.H.JunandG.A.Robert,ANTEC’98SPEConferenceProceedings,1,（1998）,
后记
犹记得那天，我惴惴不安的进入红楼的某间面试室，不知前方会有怎样的考验；犹记得那天，看到网上公示的2009年度莙政学者名单，我的欣喜若狂溢于言表；犹记得那天，站在东区操场的司令台上，接受校领导颁发的证书，我的双手忍不住颤抖……
莙政的一年已经过去，回想起来那一幕幕却仿佛仍在眼前。
莙政，陪伴着我一起成长。
这一年，我学会了以实践验证真理，用实验的方法进行项目研究。
这一年，我学会了独立自主的学习方法，自学塑料性质、自学各种焊接方法的原理，尽量自己解决问题。
这一年，我学会了利用资源，图书馆各类文献、网络上各种论文都成为了我的老师。
这一年，我养成了踏实、严谨的科学态度，科研过程中，一个小错误都可能导致结果功亏一篑，我耐心、细致的核查，力求做到完美。
我由衷的感谢李政道、秦惠莙女士，是你们给了广大学生这样一次机会。
感谢教务处各位老师，是你们一次次安排我们的活动，督促着我们的项目，使项目得以顺利完成。
感谢项目指导老师王传洋老师，是你让我有机会参与到项目并学习到很多知识。
感谢各位给予我帮助的学长学姐以及同级的同学们，你们让我在迷茫的时候没有退缩，而是继续前进。
09年，作为莙政学者的一年很快过去了，然而莙政的精神将永远陪伴我，鞭策我一直走下去……
作者简介
宗钰，机电工程学院07电气工程与自动化专业。
1988年10月出生于江苏南通，中共预备党员。
曾获得苏州大学人民综合三等奖学金，苏州大学单项奖学金，社会工作专项奖学金。
曾任班级副团支书、宣传委员等，曾任机电工程学院学生会办公室主任，现任机电工程学院学生会副主席，获校级优秀学生会干部称号。
多次参加院、校级活动，曾组织团队参加校级五四唱诗会比赛获得二等奖。
导师简介
王传洋，山东梁山人，1972年9月出生。
博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为高分子材料成型理论与装备、高分子材料先进制造技术。
先后主持教育部留学启动基金项目1项、江苏省高校自然科学基金1项，苏州市科技计划项目1项、SocietyofPlasticEngineers（美国塑料工程师学会）Perkin－Elmer奖学金项目1项、联合负责广东省自然科学基金项目1项，主要参与着参加国家自然科学基金项目1项、江苏省自然科学基金项目1项。
累计发表论文30余篇，申请发明专利1项，参加编写高等院校教材2部。
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