工艺特性
(一) 电磁光谱
人类的眼睛只对波长为400nm(紫光)到280nm(红光)范围内的光敏感，而电磁光谱的范围则要广得多，见图16。
图16 电磁光谱图
为了理解塑料的红外和激光焊接，理解电磁光谱非常重要，特别是波长在800～1100nm之间的光谱。这个区间的光在塑料的红外和激光焊接中应用最普遍，这将在后面章节中详细讨沦，由于这些波长的光具有很多材料特性，使其在加工中有可修正性。另外，这些波长也很容易在相对较高的功率下(大于10W)产生。例如，工业中普遍应用的CO2激光器产生的辐射波长为10600nm。另一种普遍的高功率激光器，YAG(钇-铝石榴红激光)产生的波长为1064nm[4]。在20世纪90年代末，高功率激光二极管得到普遍应用。激光二极管产生的典型波长为800～900nm。另外，陶瓷加热器和石英灯等非激光源也能产生类似波长的光，分别为5000～10000nm和1000～5000nm。
更短波长的光仅在相对较低功率下产生。例如典型的受激准分子激光器可产生短到200nm的波长，但对于单色激光器来说，功率通常在10W以下。由于功率容量相对较低，从塑料加工角度来说，这些波长通常仅限于对小部件加工或在表面改性中使用。
产生较短波长光较困难的一个原因是，电磁光谱中的能量大小与波长成反比，见公式(1)。ｈ是普朗克常量(6．626X10-27尔格)，с是光速(3．0X1010cm／s)[5]。
（1）
因此，波长（λ）短，能量(E)大，产生辐射就变得更困难。
(二) 分子吸收及复合材料之间的作用
电磁辐射和聚合物之间有三种基本相互作用：反射(R)、吸收(A)和透射(丁)。有几个关键方面对于塑料焊接很重要，例如，每种相互作用大小的定义通常如式(2)。
（2）
其中，I0是垂直于塑料表面的辐射强度；IR是被塑料反射的光强度；IT和IA分别是透过和被塑料吸收的光强度。
虽然对于每一种塑料和波长来说，各种作用的大小区别很大，但三者之和为100％[见式(3)]。
（3）
从塑料焊接角度来看，光的吸收和传播通常对加工有很大影响。鉴于反射对塑料有一些影响，通常局限于表面处理的应用，例如在照明设备中镀铝。大部分均质塑料不会反射大量的电磁辐射(此处指光)，一般仅为2％～8％。这是由于大部分塑料的反射率为1.4～1.6[6]。被塑料反射的光比例用式(4)定义。其中，n是塑料的折射率，m是空气的折射率(约1)。
（4）
确定透射光大小就更复杂了，当光从一种材料(媒介)透射到另一种材料，只有当光路与材料表面垂直或界面折射率相等时，光才能垂直透过，如果光线与表面不垂直，就会发生折射，见图17。
图17 光在两种不同光学密度材料中的透射
折射光的大小可用Snell定律描述，见式(5)，na和nb分别是材料a和b的折射率。折射的影响对于理解在某些应用中，不可直接用辐射源照射焊接界面或光束 (波)必须穿过几层塑料后到达焊接区很重要。这类相互作用在焊接无定形材料例如聚碳酸酯、聚苯乙烯和丙烯腈 (光学透明材料)时很典型(图18)。
（5）
结晶性材料中，光路与前面所述光路规律类似[7]，尽管聚酰胺、聚乙烯和聚丙烯等材料的结构能引起光在内部折射和散射。晶区和无定形区的折射率不同，因此当光线穿过样品时会发生折射。对于结晶性热塑料或更准确地说半结晶的热塑性塑料，光束在样品中将发生无数次折射。
采用TTIr时，内部散射仅影响材料的焊接性能。散射使光线通过样品时造成电磁辐射能的漫散射，降低了到达焊接面的有效能量。散射光大小可用Lambeit-bouger's定律描述，见式(6)，其中It是透过吸收系数为ɑ的样品一定厚度t(深度)的光强度。如果假设散射光可以这样近似描述，那么，显而易见，越厚的样品内部散射越多。因此，当焊接漫散射材料时，例如结晶性热塑性塑料，熔融焊接面所需能量与样品厚度成正比[8]。
（6）
图18 光在无定形和结晶塑料中的透射
未填充纯热塑性塑料吸收的光量取决于材料的化学结构。例如，通过吸收红外辐射能，分子键被激发，以一定的形式发生振动。很多化学键可以吸收不同波长的光，并以不同形式弯曲。尽管有很多不同形式的振动，但最基本的两种振动形式是伸缩和弯曲，见图19。
图19化学键可能的两种振动
人们很早就利用吸收光和化学结构之间的关系来鉴定材料。将样品置于一定范围的红外辐射下(波长一般为3000～15000nm)观察样品吸收红外情况，确定存在何种化学键[9 ]，从而确定材料的化学结构。表4为一些基团的红外吸收。
尽管红外吸收和分子结构之间的关系有利于化学分析，但是这使得大部分塑料材料除了特定波长以外，不能透过波长1000nm(1µm)以上的红外线。一般未填充塑料可以相对透过波长0.4～1µm 的红外线，见图20。因此，采用TTIr焊接塑料时，波长1.1µm 以下较好。另外，红外辐射很容易通过激光二极管、YAG激光器、石英卤素灯等产生。一定要注意的是未填充塑料可以相对透过0.4～1.1µm的波长，但是正如前所述，结晶性材料会引起内部散射。
表4 一些化学键的振动方式和红外吸收特性[s]
图20 一般光学塑料的透射Il0]
同样要注意的是散射不仅可以由塑料的物理结构引起，添加剂也有类似效果。例如玻璃纤维、云母、无机粒子和着色剂也会引起光的内部散射。有机粒子易溶解于塑料，而且通常微粒尺寸(或分子)小于光的波长(电磁辐射)，因此不会引起折射[11]。这就是说，较短波长或较大尺寸粒子更容易引起散射。
为了使塑料能吸收红外光，特别是吸收1.0µm以下波长，通常在基体材料中加入添加剂，最常用的添加剂是炭黑，它能有效地作为黑色体，吸收几乎所有波长的光。塑料可以吸收红外辐射所要求的炭黑浓度为1％以下。
炭黑用量对加热深度有很大影响[12]。炭黑含量仅0.03％就可以使蛆料在0.5mm深处吸收几乎100％的电磁辐射能。或者说，炭黑含量为0.07％时，塑料在0.25mm深处可吸收100％的电磁辐射能。
加热与炭黑用量一般成反比。如果塑料中加人大量炭黑，可能只限于表面加热。如图21所示，塑料中炭黑含量较高时，表面温度很高而内部受热很少。相反，塑料中炭黑含量较低时，温度分布比较宽。在这种情况下，样品受热层比较深，且最高温度较低。
图21 两种相对炭黑含量塑料的理论温度曲线
大量炭黑引起的表面过热会带来一些不希望的负效应。如果所有的能量都被表面吸收，功率过高，最高温度可使聚合物降解。对于易吸湿塑料，多孔性是另一个不希望的负面效应。出现这种现象是因为溶解在塑料中的湿气的蒸气压与样品温度成正比[13]。因此结合面温度高于塑料熔融温度时，对于一定水分含量，其蒸气压增大。如果结合面压力(夹持压力)低于产生的蒸气压，在有足够时间使分子扩散的情况下，就会形成孔洞。扩散时间与材料、温度和结构有关，但通常相对较短，不超过5s[14]。产生的孔洞作为应力集中点，可大大降低焊接强度。孔洞过多也使要求密封焊接的焊件发生泄漏。大多数情况下孔洞对焊接性能是有害的。
由于黏度与温度成反比，所以较高的温度也会使挤压流出的熔体过多。过多挤压流会产生不期望的溢料，并使分子平行于焊线方向取向。这种分子取向会产生相对较高的残余应力，降低焊接强度。
如前所述，炭黑浓度相对较低有利于较深和较广的加热分布。这种温度分布一般可获得较适宜的最高温度，并减少聚合物降解、形成孔洞、挤压流过多的可能性。另外，加深受热深度可形成较厚结合面，从而有利于分子链更好地排列和缠结。
(三) 热方程
如果假设激光源发出的所有能量都被结合面吸收，也就是A＝100％，可以估算熔融界面所需要的功率或热通量。假设由于辐射和对流所引起的表面热损失可以忽略不计，可以估算一定热通量(q。)下，熔融表面所需要的时间以及焊接面的温度分布[15]。如果采用激光／红外焊接的连续照射方式进行焊接，可以利用公式(7)估算任意位置和任何时间的温度θ[16]。
（7）
其中，θ是温度；х是位置；t是时间；θi是固体的初始温度；λ是热导率；k是热扩散系数；erfc(z)是补余误差函数。需注意的是，该模型可以很好地预测在厚度方向上没有温度梯度的半无限固体中的温度分布，在第2章有详细说明。
如果采用扫描模式，则不能用式（7）预测温度分布。因为在扫描模式下，热源仅作用在焊接面的小部分区域上，另外，热源在不断移动，因此必须使用另一个模型：Rosenthal模型。Rosenthal的点源[17]理论分析了点热源以恒定速度移动时，半无限平板上温度的分布（见图22）。
图22 随移动坐标系移动的移动热源详图
考虑两个坐标系，移动坐标系的原点在热源下平板表面上，移动坐标系以和热源相同的速率移动。假设忽略边缘效应，问题简化为准稳定热流条件，大大简化了该模型。例如在远离边缘位置(焊接的起点和终点)，在可移动坐标系中温度分布始终为常数，热源后1cm位置随热源一起移动的某点也会一直保持相同的温度。相对于固定坐标系，在热源经过相邻的点时，这些点都经历了加热和冷却过程。然而由于移动坐标系随着热源移动而移动，所以这些点在移动坐标系中不经历加热和冷却。在移动坐标系中，w是与х坐标有关的量，定义见下式。
（8）
通过使用移动坐标系，Rosenthal认为使用下式可以计算出平板上任何位置的温度。
（9）
θi是体系的初始温度。值得注意的是，该模型假设激光或红外辐射源聚焦为一个无限小的光斑，可以近似认为是一个点，也就是说焦半径ɑ为0。如果热源聚焦不好，则不能看作点光源。在这种情况下，需用采用由Eager和Tsai研发的分布热源模型[18]。大多数情况下均可以采用点光源模型预测用聚焦移动红外或激光光源进行焊接的塑料温度分布。