警惕塑料焊接中的“假塌陷”:OCT 技术对于塌陷量数据的精确分析实验

当塌陷量成为塑料激光焊接的核心指标、甚至唯一指标时，“塌陷量准不准”就变成了一个关键问题。在之前的文章中，我们讨论过塌陷量的形成机理，以及如何通过电缸精确保压、μm 级位移传感器闭环、整体玻璃压装等方式对它进行管控。

但最近一批量产件的 OCT 检测结果，把一个更麻烦的问题摆到了台面上：即使在设备端已经做足了管控——位移传感器分辨率到 μm、电缸精确保压、玻璃压装避免零件结构变形、并以塌陷量作为焊接截止条件——塌陷量读数本身依然可能“不准确”。这里说的“不准确”，不是指传感器测不准，而是指：同一个塌陷量读数，对应不了同一种焊缝状态。传感器测到了位移，却没有测到熔合。

塌陷量是“过程量”，焊缝断面才是“状态量”。

一、实验设计：同一个塌陷量，四组参数

下面这组实验来自 EPB 项目的量产件，材料为 PBT+GF30（30% 玻纤增强），采用准同步激光焊接。四件样品的固定条件完全一致：塌陷值 0.39 mm、触发压力 1700 N、保压熔深 0.01 mm、焊接压力 2000 N、保压时间 4 s；只调整焊接温度与功率配置。

图 1　四组样品的固定参数与工艺变量

需要先说明这四组参数之间的关系：它们不是四条各自独立的工艺配方，而是一个单变量对照结构。1#、2#、3# ，只差温度设定（230℃ / 180℃ / 280℃）；4# 采用固定激光功率（塌陷率截止管控），焊接时间接近（15.3 s / 14.7 s），激光总输出功率也接近，差别只在功率的输出方式——1# 采用 恒温闭环反馈配置，4# 采用恒定 45% 输出、未做功率补偿。这样安排的目的，是让每一组断面上的差异，都能对应到一个明确的工艺变量。因此本文只做横向的差异性对比，不做参数优劣的排序。

四件产品的上件透光率分别为 63.3%、61.6%、63.9%、63.8%，波动在 2.3 个百分点以内，材料光学一致性良好。这一点很重要：后续断面特征的差异，不能归因于材料批次或透光率波动。

表里还有一列需要特别注意——“焊接时间”不是设定参数，而是系统在塌陷量到达 0.39 mm 时的实际用时。也就是说，四组样品的塌陷量截止条件完全相同，但到达这个条件的过程完全不同。

图 2　同一个塌陷量截止条件，四组样品的实际到达时间相差 4.8 倍

280℃ 只用 4.2 s 就到了，180℃ 却用了 20.0 s，相差 4.8 倍。塌陷量是一个位移终点，而焊缝质量取决于从起点到终点这段时间里，界面吸收了多少能量、熔体流动了多少、分子链扩散了多深。终点相同，过程可以完全不同。

需要先说明本次检测的一个前提：这批产品尚未做质量阈值配置，OCT 检测界面处于“未配置参数”状态，界面上显示的有效焊合率 50%、有效焊宽 1.860 等数值，都是设备模板的默认值，而不是该产品的验收规格。因此本文不引用界面默认阈值做合格判定，所有结论都以断面的实际形貌和同图自参照的相对指标为准。

二、把断面拆开看：BScan 的四个层位

判断“有没有焊上”，最直接的方式是看焊缝断面。OCT 的 BScan 断面图自上而下可以划分成四个层位，每一层对应不同的物理含义，也对应不同的判级用途。

图 3　BScan 断面的四层结构（OCT 软件原始截图，未做增强处理；色线为层位分界，以 180℃ 组样件为例，图中已标出未熔合界面线位置）

需要特别注意的是第 ③ 层与第 ② 层的分界——那里是透光层与吸光层的原始接合面，也就是理论上的“焊接界面”。如果焊接界面真正熔合，两层之间的散射特性是连续过渡的，断面上看不到明确的线；如果没熔合，这个位置就会出现一条横向连续的强反射亮线。

焊接界面上有没有一条连续亮线，是判断熔合与否最直接、也最不容易被伪造的证据。

三、四组断面，四种形貌特征

用同一套抽样规则对四组样品的断面做批量扫描（每组约 5400 张，按编号步长 50 等间距抽取 109 张，共 436 张），四组断面的代表图如下。

图 4　四组样品的 BScan 断面原始截图（深度轴、扫描位置轴与 INDEX 编号均为 OCT 软件原始标注，未做增强处理）

• 1#　230℃：焊接界面附近是与透光层连续过渡的自然散斑，界面趋近已熔合；

• 2#　180℃：在焊接界面位置（深度约 0.7~0.8 mm 处）出现一条贯穿且平整的连续白色亮带，界面下方信号被明显遮挡，焊接层界限未消失，明显的未熔合；

• 3#　280℃：同样没有界面线，但焊接层的整体焊接层出现明显的弧形下陷——能量偏大且明显的塌陷量留下的痕迹；

• 4#　230℃/45%：没有界面线，断面观感与 1# 接近。它的温度、焊接时间与激光总输出功率都和 1# 接近，只是未做功率补偿——焊接层亮度因此略高于 1#。

焊接设备管控的塌陷量完全相同，四组断面给出的证据却各不相同。

图 5　X轴为沿焊缝展开，由图可以看出，真实塌陷量与温度呈现强相关性。1号与4号参数接近，塌陷率也趋于接近。

四、180℃ 的白色亮带：假塌陷的“指纹”

这是本次实验里最值得展开的一组数据。把 180℃ 组的断面放大来看：在焊接界面（焊接层下沿，深度约 0.7~0.8 mm）位置，存在一条横贯整条扫描线的连续白色亮带。

它不是零星散点，而是横向连续的成片强反射；在灰度剖面上，该位置的峰值行亮度约为同图透光层参考亮度的 1.94 倍，已经接近产品表面强反射亮带的水平——那是 OCT 光在零件外表面发生镜面反射时的强度量级。按批量分析所采用的判据（行带峰值强度比 ≥1.4 且横向连续性 ≥0.18），这条亮带被判定为连续的未熔合反射界面线。

在线批量抽样的结果同样干脆：180℃ 组 109 张抽样断面，109 张全部检出这条界面线，检出率 100%。这不是个别样件的偶发缺陷，而是整批的、系统性的未熔合。

为什么低温会在界面处留下一条“白亮带”？

关键在材料状态。PBT+GF30 的熔点 Tm 约为 225℃。当焊接温度设定为 180℃ 时，界面温度远低于熔点，材料处于高弹态——它还没有进入可以流动的黏流态。

但在 2000 N 的焊接压力下，高弹态的材料依然会发生屈服变形。于是出现了这样的情形：位移传感器确实读到了 0.39 mm 的塌陷量，系统按截止条件正常停机；但这 0.39 mm 中，相当一部分是弹性变形与高弹态屈服变形。焊接结束、压力释放后，这部分变形还会发生回弹。于是界面在冷却、回弹的过程中被重新拉开，形成一层极薄的微间隙。OCT 光在穿过这个微间隙时遇到折射率突变，产生强反射——这就是断面上那条白色亮带的来源。

白色亮带 = 界面被重新拉开 = 读数塌了，物理上没焊上。

这就是“假塌陷”的断面指纹。它和“功率太高”“光斑不好”这类单因素解释不是一回事：同样 0.39 mm 的读数，230℃ 时是有效熔深换来的，180℃ 时是高弹态屈服换来的。前者在断面上是连续的散斑过渡，后者在断面上是一条白亮带——过程读数相同，物理状态相反。

五、四组断面的横向差异：没有一组已经最优

反过来看，没有出现白亮带的三组，断面也并非彼此一致。把 436 张抽样断面的判级结果汇总起来：

图 6　四组样品的断面批量判级结果（抽样 436 张，步长 50）

先说明这张表回答的是什么：它回答的是"界面熔合了没有"，是状态判定，不是参数排序。四组判级结果的差异，恰恰说明不同焊接参数下，检测会走向不同的结果。

1#　230℃ 组：106/109 通过，焊接层相对亮度 WeldBR 0.834（四组中最低），透光层横向不均匀度 latCV 0.43（四组中最均匀），断面整体干净。

4#　230℃/45% 组：102/109 通过，7 张轻度过渡不均，并且集中在编号 451–651、4301–4501 两段，属于局部聚集，提示该区段可能受装夹或气压波动影响，值得单独复核。值得注意的是它的 WeldBR 为 0.898，略高于 1#——两组的温度设定相同、焊接时间接近、激光总输出功率也接近，差别只在 1# 做了分段功率补偿、4# 采用恒定 45% 输出，断面就把这一点区分了出来。

3#　280℃ 组的差异出现在另一个方向：没有界面线（界面线强度比 1.24，即已熔合），但焊接层出现了客观的微弱亮带——焊接层相对亮度 WeldBR 达 0.978，109 张中有 67 张超过 0.95 的批次参考线，为四组中最高；同时透光层下部 latCV 0.61、亮粒密度 8.1%，均明显高于其他组。这两项放在一起，指向焊接能量偏大造成的轻微过烧，而不是未熔合。它的塌陷量在 4.2 s 就提前到量，过程读数是四组中最"干脆"的一组，断面反而最不均匀。

把四组的差异归拢一下：

2#　180℃：温度不足，界面未熔合，断面留下贯穿性白亮带；

3#　280℃：温度过高，界面虽已熔合，焊接层亮度与透光层不均匀度全面升高；

4#　230℃：温度合适，但恒定功率未做补偿，焊接层亮度高于做了分段补偿的 1#；

1#　230℃：断面最干净，但它只是这组单变量对照中的一个样本，不是答案。

到目前为止，这四组参数没有一个达到了可以定版的最优状态——每一组都回答了一个变量的问题，也各自留下了需要继续收敛的痕迹。

六、塌陷量到底测的是什么

把位移传感器的读数拆开看，0.39 mm 的塌陷量实际上由几部分构成。

图 7　塌陷量读数的组成分解

其中只有“有效熔深”这一段，与“是否真正焊合”直接相关——而本组工艺的保压熔深设定仅为 0.01 mm。其余部分，都是“零件被压下去了多少”，而不是“界面熔合了多少”。

更麻烦的是，这几部分的比例并不固定。温度、压力、材料黏度变化时，同样的 0.39 mm 里，有效熔深的占比会大幅变化：180℃ 时它以高弹态屈服为主，230℃ 时它以熔融流动为主，280℃ 时它被过快的塌陷速度压缩。

还有一个更直接的对照角度：把上层的形貌变化，与塌陷量指标放在一起看。这四组的塌陷量读数完全相同（都是 0.39 mm，截止条件相同），而断面上底层焊缝的位置也是固定的——四组的焊接界面都落在同一深度（约 0.7~0.8 mm），没有随参数移动。真正随参数变化的，只有上层的形貌：焊接层的亮度（WeldBR 0.562~0.978）、透光层的横向均匀性（latCV 0.43~0.61）、界面处亮带的强度（1.22~2.27）。

把这三件事并在一起：塌陷量读数一样，底层焊缝位置一样，上层形貌却明显不同——说明塌陷量这个读数既没有对应到底层界面的状态，也没有同步反映上层形貌的变化。它测到的只是"零件被压下去了多少"，而不是"压下去之后，界面变成了什么样"。

图 8　(a) 同一截止线下的四种到达过程　(b) PBT+GF30 的温度区间与四组工艺落点

回到材料本身：PBT+GF30 在 Tg≈45℃ 以上进入高弹态，在 Tm≈225℃ 以上进入黏流态。只有界面进入黏流态、并保持足够的过热度与停留时间，分子链才有机会相互扩散、缠结，冷却后形成有效焊合。180℃ 落在高弹态区间，位移靠屈服完成，形成假塌陷；230℃ 刚过熔点，具备了熔融的基本条件，但过热度与停留时间是否足够，仍需断面来验证；280℃ 远超熔点，黏度骤降，塌陷提前到量并伴随热损伤风险。

塌陷量回答的是“设备稳不稳”，断面回答的才是“焊上了没有”。

七、把视野放大到一个量产批次：塌陷率管控的盲区

前面四组参数是一个刻意设计的对照实验。那么在量产现场，一个“以塌陷率为核心管控指标”的批次会是什么样子？我们正好有这样一批样件：客户的质量管控口径就一条——塌陷量（塌陷率），设备端按塌陷量截止，无温度闭环反馈机制。质量端按塌陷量放行。我们把该批次的样件全部做了 OCT 全检，每件沿焊缝周向记录 256 个检测点的局部塌陷量。

先看塌陷量本身（图 10）。把 29 件样件的塌陷量曲线画在同一张图上，整体形态高度一致——同一条“三谷两台”的周向起伏在每一件上重现：起点段偏高、中段出现低谷、后段回升后再度回落。这一"三谷两台"形态在各样件上普遍重现，说明它与周向位置强相关——指向装夹/压紧状态或能量的周向分布，而不是随机噪声。OCT 技术批量检测的结果，对于生产过程的指导性意义展现无疑。

图 9　同一量产批次 30件样件的塌陷量曲线与平均基线（金线为良品基准参照；绿线为 0.450 mm 塌陷量标准）

但把塌陷量读数与同一位置的有效焊合率（EWR，即 Result 判定图中绿色有效焊合区的占比）放在一起，问题就出现了。这批样件的全程平均塌陷量从 0.191 mm 到 0.440 mm， 按照焊缝位置分析，；而按 60% 的有效焊合率标准衡量，只有 4 件达标。

更关键的是两者之间的关系（图 10）：沿周向看，塌陷量与 EWR 是反向的——塌陷越高的位置，有效焊合率越低（r=−0.54）。起点段与塌陷高台区的 EWR 只有 25%~30%，而塌陷低谷区反而达到 49%。 但把“周向位置”这个共同因素剥离掉之后，塌陷量与 EWR 的关系几乎消失：响应曲线变成一条近水平线（r=+0.05），斜率只有 19 个百分点 / mm——也就是说，把塌陷量再加大 0.10 mm，有效焊合率也只能换来约 2 个百分点。

图 10　(a) 塌陷量基线与 EWR 基线沿周向反相　(b) 剥离周向位置后，塌陷量对 EWR 几乎没有独立贡献

这两条曲线合起来说明一件事：塌陷率管控住的是“设备稳不稳”——同一批次、同一套参数，塌陷量曲线确实稳定地重现在每一件样件上；但它管不住“焊上没焊上”——塌陷量读数落在合格窗口，与有效焊合率达标，是两件几乎不相关的事。

塌陷率管住了过程的一致性，却管不住结果的有效性——这是“假塌陷”的另一面。

到这里，“假塌陷”就有了完整的两面：读数到位而界面没熔上，是欠热型假塌陷；读数不足而界面其实焊上了，是过于保守的判定。本次量产批次里，塌陷量最低的那一组样件反而拿到了最高的界面带有效焊合率——塌陷量既不能证明焊上了，也不能证明没焊上。

八、为什么位移闭环管不住焊接界面

位移闭环控制的反馈量是位置，被控对象也是位置。它能保证的是：每一件产品都被压到同一个深度。但它无法保证：每一件产品在到达这个深度时，界面是否获得了相同的熔融状态。

因此在两个方向上都会失效：

欠热方向（2# 180℃）：位移到位，但界面未进入黏流态，断面留下未熔合白亮带；

过热方向（280℃）：位移提前到位，热输入过量，断面留下焊接层亮带与过渡不均。

更棘手的是：这两种方向完全相反的失效模式，可以在同一个塌陷量读数下同时存在，并一起被判定为“合格”。

图 11　从单一过程判据到“过程 + 断面”双判据闭环

设备精度的持续提升——电缸、μm 级位移传感器、整体玻璃压装——解决的是“读数准不准”的问题；而当读数为“合格”时界面是否真的熔上，必须由断面来回答。

九、工程建议

基于本次四组样品的实验结果与30件量产件的批量分析，我们建议在以下几个方面调整质量管控逻辑。

1. 明确塌陷量的定位。塌陷量应作为“过程稳定性判据”（重复性、一致性、设备状态趋势），而不是“质量放行判据”。它可以告诉你设备是否稳定，不能告诉你焊缝是否焊上。

2. 增设断面判据，并优先处理严重缺陷。建议以“焊接界面上是否出现连续高亮反射界面线”作为零容忍项——这是未熔合的直接证据。

3. 升级塌陷量截止逻辑。由单一位移截止，改为“位移 + 时间/能量”双条件截止。当到达塌陷量的时间明显偏离工艺窗口（如本次 4.2 s 与 20.0 s 的差异）时，应报警而非放行。本次实验的 280℃ 组就是典型：时间短到 4.2 s，本身就是一个应当触发预警的信号。

4. 收敛温度窗口。确保界面温度进入黏流态并保留合理过热度，同时避开过热区。对于 PBT+GF30，温度过低会落入高弹态的假塌陷区间，过高则带来塌陷过冲与热损伤，窗口需要按产品逐一标定。

5. 把功率补偿纳入工艺变量。1# 与 4# 的对比显示：温度、时间与总输出功率都接近时，分段功率补偿与恒定输出的断面表现仍可区分（焊接层相对亮度 0.834 与 0.898）。功率在扫描线上如何分配，是塌陷量读数完全覆盖不到的工艺自由度。

6. 建立产品级的"塌陷量—断面"关联曲线。通过 DOE 为每款产品标定其塌陷量窗口与温度窗口，把断面判级结果与过程参数对应起来，形成"一产品一配方"的质量标准。

7. 如果产线以塌陷率作为核心管控口径，更要小心：本次量产批次的30 件样件，塌陷量读数全部落在 0.450 mm 的窗口内，而有效焊合率只有 4 件达到 60%——建议在塌陷量之外并行接入断面、有效焊合率一类的状态量判据，两者缺一不可。

结 语

塌陷量是一个有用的工具，但它测量的是“过程”，不是“结果”。设备精度的持续提升解决的是“读数准不准”的问题；而当读数为“合格”时焊缝是否真的焊上，必须由焊缝内部结合状态的量化证据来回答。

180℃ 断面上那条白色亮带，就是"假塌陷"留下的最直观证据：塌陷量读数完全达标，界面却从未熔合。而这四组参数——温度、功率补偿、塌陷量截止逻辑——没有一个已经达到可以定版的状态，每一个变量都在断面上留下了自己的痕迹。把塌陷量放回它应有的位置——过程判据，再用断面补齐质量判据，塑料激光焊接的质量放行才真正闭环。

威克锐光电 | 工业激光应用系统服务商

END