塑料激光透射焊接：轮廓焊、准同步焊、径向焊与掩模焊
核心要点
- 能量沉积在界面处而非表面：一个零件透射，另一个零件吸收，熔体在两者之间形成。
- 光束策略决定塌陷行为。准同步焊接使整个接头同时熔融，可以吸收公差；轮廓焊接则不能。
- 夹紧是工艺的一部分，而非单纯的夹具。接头处的紧密接触是所有这些方法的前提条件。
- 在选择阶段，光学性能比力学性能更重要，而着色剂会使其发生显著变化。
热塑性塑料的激光焊接是一种具有独特性质的连接方法：热量产生于接头内部，而非从外部施加。这一特点带来了它的大部分优势，包括无颗粒物、无振动、不在可见表面留下痕迹、热影响区可精确控制，同时也带来了决定某一组件能否采用该方法的种种限制。
基本原理
在透射式焊接中，两个零件保持接触。上层零件对激光波长的吸收相对较小，可使其透射；下层零件则强烈吸收，通常发生在其表面或表面稍下方。穿过第一个零件的能量在第二个零件中转化为热量，热量再越过界面反向传导。两个表面都达到熔融温度后，施加的压力使间隙闭合并使熔融层混合，随着光束移开，接头凝固。
其结果顺理成章。只有界面处的一薄层被加热，因此两个零件的本体保持尺寸稳定，内部元件不会暴露在高温下。无需相对运动，因此不产生颗粒物，这也是该方法在医疗器械和微流控领域备受青睐的原因。而且由于光束可被精确整形和引导，无需更换工装即可焊接复杂的几何形状。
轮廓焊接
光束或零件发生移动，使焦点沿接头线走一遍。每个区域被加热、熔融，随着光束移开而凝固。
轮廓焊接适用于大型零件、较长的焊接路径，以及扫描振镜无法在单个视场内覆盖的几何形状。设备相对简单：固定焊头配合零件运动，或采用机器人安装的焊头。其决定性的局限在于焊缝从未整体处于熔融状态，因此接头无法均匀塌陷。光束到达某处时存在的任何间隙，都必须由该区域跨越间隙进行焊接，这使轮廓焊接成为四种策略中对零件配合度和平面度容忍度最低的一种。
准同步焊接
振镜扫描器以足够高的速度描绘整条接头，使整条焊缝同时保持熔融，通常需要多次快速扫描。此时接头在夹紧力作用下表现为单一熔融区。
这使受控塌陷成为可能：随着熔体被挤出，零件相互靠拢一段确定的距离，从而吸收间隙、容纳尺寸波动，即使配合不理想也能得到一致的焊缝。塌陷量可直接测量，是极佳的过程监控指标：塌陷量未达预期的焊缝即未正确形成，设备可以实时得知。
其限制在于扫描视场。接头尺寸受限于扫描器能够覆盖的光学视场，在边缘处入射角不能过大，这限制了零件尺寸，或者需要进行视场拼接。
径向焊接与同步焊接
对于圆柱形组件，如连接器、过滤器壳体和导管部件，径向焊接使光束同时沿圆周输送，或通过旋转零件来实现。更广义的同步焊接采用特定的光束输送布置，通过光纤阵列、线光源发生器或整形光学元件，使整个接头同时受到照射。
由于整个接头在一次曝光中完成焊接，周期极短，且塌陷均匀。代价是每种零件几何形状都需要专用的光学工装，因此这类方法适用于大批量、稳定的产品，而非多品种或小批量生产。
掩模焊接
由掩模确定待焊接的图形，宽光束扫过掩模，仅照射暴露的区域。这可获得极精细的几何定义，焊缝宽度远小于聚焦扫描光斑通常能实现的宽度，是微流控器件和薄膜组件的标准方法，这类产品需要密封流道，同时又不能侵入流道内部。
每种图形都需要一块掩模，且随着零件面积增大，产量会下降，因此它占据的是一个专门的细分领域，而不是与通用策略竞争。
决定选择的因素
实际决策遵循一个简短的顺序。零件尺寸和接头长度与可用扫描视场的对比，决定了选择轮廓焊还是准同步焊。所需的公差吸收能力，决定了是否需要塌陷能力。生产批量决定了专用同步工装是否合理。特征尺度决定了是否需要掩模焊接。而可达性，即光束能否无阻碍地穿过透射件到达整个接头，则是一个硬性约束，偶尔会使激光焊接完全不可行。
在任何方法奏效之前必须满足的条件
无论采用哪种策略，都有三个先决条件。材料之间必须可相互焊接，这意味着加工温度范围重叠且化学相容性足够，与任何基于熔体的连接方法要求相同。光学性能必须合适：上层零件在工作波长下有足够的透射，下层零件有足够的吸收，两者都在很大程度上取决于着色剂、填料和添加剂，而不仅仅取决于基础聚合物。此外，接头必须通过夹紧达到紧密接触，因为熔体无法填补的间隙，就是无法焊接的间隙。
生产中的失效几乎总能追溯到这三个条件之一，而非激光参数。焊缝无法稳定形成，通常是材料或配合问题却被拿来通过功率设置来处理，而在这种情况下提高功率，会在修复接头之前先损坏零件。
竞争之处与不具优势之处
与其他方法相比，激光焊接以产量和公差换取洁净度和精度。超声波焊接速度更快，单件成本更低，但接头处的相对运动会产生颗粒物。振动焊接和旋转焊接能很好地处理大型零件和较宽松的公差，代价是产生飞边、痕迹和机械激振。热板焊接对配合不良的容忍度高于其他任何方法，但周期长，且发热工具要与聚合物接触。
在不能接受颗粒物、组件内含有不能振动或受热的部件、接头很小或几何形状复杂、或可见表面必须保持无痕的场合，激光焊接更具优势。在配合不良且无法改善、接头在光学上无法到达、或单件成本占主导而无需其优势的场合，它则处于劣势。
这样看来，选择通常由一两项硬性要求决定，而不是靠综合比较，这就是决策应放在设计阶段的原因：那时这些要求仍在拟定，接头也可以围绕最终胜出的方法来设计。
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常见问题
激光透射焊接究竟是如何工作的？
上层零件对激光波长吸收很少，可使其透射；下层零件在表面或近表面吸收激光并将能量转化为热量。热量越过界面传导到透射件中，两个表面熔融，施加的压力使熔融层结合在一起形成焊缝。热量产生在接头所在之处，而非外表面。
轮廓焊接与准同步焊接有何区别？
轮廓焊接通过移动光束或零件沿接头走一遍，依次熔融各个区域，因此材料在光束之后凝固，接头无法整体塌陷。准同步焊接以高速反复扫描整条接头，使整条焊缝同时熔融，从而实现可吸收公差和间隙的受控塌陷。
何时使用掩模焊接？
用于非常精细或复杂的焊接几何形状，尤其是微流控和薄膜领域，由掩模确定被照射的图形，宽光束从上方扫过。它在小尺度下具有出色的几何精度，代价是每种图形都需要工装，且大型零件的产量较低。
吸收件一定需要炭黑吗？
不需要。炭黑是传统的吸收剂，目前仍很常见，但激光吸收染料和添加剂体系可使吸收件呈本色、彩色，甚至视觉上透明。聚合物自身吸收的更长波长同样可以在不添加任何吸收剂的情况下实现焊接，这也是大多数透明对透明方法的基础。
需要多大的夹紧压力？
足以使接合面沿整条焊缝紧密接触，并容纳熔体的塌陷。具体数值取决于材料、接头几何形状和零件刚度，没有通用的数字，压力不足或过大都会造成典型的缺陷。
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