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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
加压
红外吸收层
红外透射层
激光束
加压
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
图2.散射率测量装置积分球
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-NIR Cary 500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。
图3.测量透射率的积分球 图4.测量反射率的积分球
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-DH NATL（天然，不含添加剂）和 AKULON? K224-HG6 NATL (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1022 60℃以外，所有零件均在120℃的浇注温度下塑成）
材料符号 6002 1002 1022 1022 60℃
玻璃纤维（GF）的百分含量
0 30 50 50
60
1032