PPS 激光焊接两种工艺的技术讨论 | 透射焊接 vs 同色（双面加热）焊接

一、引言：为什么需要讨论两种工艺

PPS（聚苯硫醚）作为特种工程塑料，凭借耐高温（Tm≈278℃）、耐化学、低吸水、高阻燃等特性，在汽车电子、传感器、泵阀、电气连接器等高端领域广泛应用。激光焊接是 PPS 实现精密密封轻量化结构的关键工艺。

然而，PPS 与 PP/ABS/PC 等通用塑料的激光焊接有本质差异，其难点集中体现在三点：

（1）结晶速率极快——焊接过程中分子链扩散窗口被压缩；

（2）熔点高、热变形温度高——需要更高热输入，但易降解；

（3）高玻纤含量——玻纤富集严重削弱焊缝强度。

针对 PPS 高结晶度导致近红外激光透光率偏低的瓶颈，业界形成了两条工艺路线：

方案A · 透射焊接（Transmission Welding）：需上层透光、下层吸收，激光穿透上层后在界面被吸收熔融。

方案B · 同色焊接 / 双面加热焊接（类似热板焊接）：分别加热两个焊接面，到温后快速压合，用余温完成焊接。方案B 主要应对 PPS 这类高结晶、低透光、无法满足透射焊接条件的工件场景。本文从理论上系统分析第二种工艺的风险点。

图1  PPS 激光焊接两种工艺原理对比：透射焊接 vs 同色（双面加热）焊接

二、两种工艺的原理对比

2.1 透射焊接（方案A）

原理：采用透射件 + 吸收件双层结构。激光穿透上层透光件，在吸收界面（吸收剂/底层或中间层）被吸收转化为热能，使界面两侧 PPS 熔融。在压力下分子链跨界面互扩散，冷却后形成焊缝。

核心约束：①强依赖透光率（PPS 高模温注塑结晶透光差）；②高玻纤时能量难以到达界面；③焊缝在内部产生，热历史复杂

2.1.1 PPS 二次结晶对透光率的温度依赖性机理

背景现象：在透射焊接过程中，透光层并非恒温——激光持续穿透透光层时，部分红外能量被材料吸收并转化为热量，透光层温度逐渐升高。当温度超过 PPS 的玻璃化转变温度（Tg ≈ 93℃）后，透光率会出现急剧下降，进而引发烧伤缺陷。

机理链路：

1.玻璃化转变触发链段运动：PPS 的 Tg 约为 85~93℃。温度低于 Tg 时，无定形区的分子链段被"冻结"，结晶度保持稳定；温度超过 Tg 后，无定形区链段获得运动能力，开始向晶区排列补充，即发生二次结晶（冷结晶）。

2.二次结晶促使晶粒长大：二次结晶过程中，已有的微晶作为晶核继续生长，片晶厚度增加，晶粒尺寸从注塑态的纳米级向更大尺寸发展。同时，部分不完善的晶体在较高温度下发生熔融-重结晶，趋向热力学更稳定的形态。

3.晶粒尺寸与光波长匹配导致散射剧增：PPS 本征呈乳白色半透明，原因在于其折射率（n ≈ 1.65）与周围无定形区存在差异，晶粒/非晶界面产生瑞利散射和米氏散射。当二次结晶使晶粒尺寸增大到与近红外激光波长（808~980 nm）可比的量级时，散射截面显著增大，从瑞利散射区进入米氏散射区——散射强度不再正比于 λ⁻⁴，而是趋近于与波长无关的强散射平台。

4.透光率随温度急剧下降：上述晶粒长大效应在温度刚超过 Tg 时启动，并在 100~150℃ 区间内加速。宏观表现为：透光层在室温下尚可维持一定透光率（尽管偏低），但一旦焊接加热使透光层升温超过 93℃，透光率在数十秒内急剧衰减，激光能量越来越难以到达吸收界面。

5.能量在透光层内部积聚→烧伤：透光率下降后，激光能量不再有效穿透至吸收界面，而是在透光层内部被散射和吸收，形成体积性能量沉积。透光层温度持续升高，局部超过 PPS 热分解温度（>400℃），产生碳化发黑——即烧伤。烧伤一旦发生，碳化区进一步吸收激光，形成正反馈恶化，迅速扩展。

关键温度节点：

对透射焊接的约束意义：上述机理揭示了透射焊接 PPS 的一个隐性矛盾——焊接本身需要透光层维持足够透光率让激光到达界面，但焊接加热过程恰恰在破坏这个前提。透光层越厚、激光功率越高、焊接时间越长，透光层升温越严重，二次结晶导致的透光率衰减越剧烈。这也是高玻纤含量、高结晶度 PPS 件难以采用透射焊接的深层原因之一。

2.2 同色焊接 / 双面加热焊接（方案B）

原理：分别用激光对两个焊接面（每个零件的待焊表面）单独加热，当表面达到接近熔融状态时，立即将两工件压合，靠余温完成焊接。

核心优势：不需透光，规避了 PPS 高结晶导致的透光率问题，特别适合：

双层全黑件（无透光层，普通近红外激光穿透不了）；

高玻纤含量工件（透光率极低）；

高结晶/高模温注塑件（晶粒粗大、散射强）。

工艺步骤：上下焊接面加热至近熔融 → 激光撤离 →短暂间隙（<1s）→ 立即压合 →余温维持 →冷却结晶固化。

图2  PPS 焊接热循环示意：透射焊接（蓝色）vs 同色焊接（橙色）

从图2可清楚看到两种工艺的热历史差异：透射焊接是单次快速加热到峰值后冷却；同色焊接呈双峰曲线（两个焊接面分别加热），压合瞬间两熔融面叠合，靠余温完成焊缝形成。

三、同色（双面加热）焊接 PPS 的五大风险机制

图3  同色焊接 PPS 的五大风险机制全景示意

风险① 表面过熔/内部欠熔

机理：同色焊接的热源作用在工件表面（每个零件的待焊面），通过热传导向内部扩散。PPS 导热系数较低（约 0.25~0.30 W/m·K），内部温度上升滞后于表面。

后果：

• 表面温度过高 → 树脂降解、焦化、变色；

• 内部温度不足 → 真正焊接界面熔融不充分，链扩散不彻底；

• 压合时表面已部分降解（黏度下降），内部还未熔融——表面败絮其中。

对比透射焊接：透射焊接的热源在内部界面（吸收层），热量从内部向表面扩散，焊缝温度最均匀。同色焊接的「表里不一」，激光加热在表面，内部靠表面热传导升温，导致内外温度不一。是物理原理上的根本弱点。

风险② 压合时机窗口极窄

机理：同色焊接的两个焊接面分别加热后，必须在「余温下降到足够低」之前完成压合。PPS 一旦离开加热源，表面温度因热传导和对流快速下降。

窗口估算：

• 表面从 320℃ 降至 250℃（仍有熔融态）约 0.5~1.5s；

• 越过 Tg（约 93℃）后开始快速结晶，焊缝固化。

工艺难度：①工件移位（从激光位到压合位）需要时间；②机械动作延迟；③激光双面加热表面温度的控制。全是吸光材料，导致表面升温非常快，导热率低又同时又需要有足够的余温。

对比透射焊接：透射焊接是激光在内部持续加热（保压期间），熔融时间充裕，压合与激光加热几乎同步，几乎无时机窗口问题。

风险③ 界面温度不可见（无反馈）

机理：透射焊接的焊缝就在激光加热位置，可以实时监控温度、焊缝形成状态。同色焊接中：

• 激光只作用在表面 → 表面温度可观，但内部真实焊缝温度不可见；

• 压合后才形成焊缝 → 焊缝形成时无法实时反馈；

• 余温冷却快 → 错过压合窗口难以补救。

工艺风险：①操作员依赖经验判断；②批量一致性依赖设备重复精度；③不同材料、不同颜色件的激光吸收率差异大，余温冷却曲线不同。

对比透射焊接：透射焊接的界面温度可通过红外热成像、激光同轴红外测温实时监测，闭环控制相对成熟。

风险④ 高玻纤取向复杂，界面熔融不均匀

机理：PPS 玻纤增强件（GF30/GF40）的玻纤取向在注塑过程中受剪切场、冷却条件影响，分布不均匀。激光从表面加热时：

• 玻纤吸热较树脂多（玻纤比热较小但热扩散不均）；

• 玻纤富集区域表面温度可能低于富树脂区；

• 玻纤周围的「阴影区」温度滞后。

后果：

• 焊缝界面熔融不均匀，局部虚焊、局部过熔；

• 玻纤取向界面的富集风险加大（玻纤沿熔体流动方向堆积）；

• 玻纤附近树脂被挤出后，玻纤浮出表面，粗糙度增加。

对比透射焊接：透射焊接的玻纤影响主要在透光率（阻挡激光到达界面），但焊缝在内部、玻纤被熔体包裹，浮纤问题相对较轻。

风险⑤ 结晶抢占分子链扩散窗口

机理：PPS 结晶速率极快（比 PA12 快 1~2 个数量级）。同色焊接中：

• 压合后熔体快速降温；

• 结晶诱导期极短（从熔点到 200℃ 区段最剧烈）；

• 结晶一旦发生，分子链运动被冻结，跨界面互扩散被终止。

三重抢占：

1.熔融态停留时间短（透射焊接是「保压-持续加热」；同色焊接是「压合-余温衰减」）；

2.压合动作中机械扰动可能引入界面气泡；

3.余温快速下降，结晶比分子链扩散更快完成。

后果：缠结不足 → 焊缝强度低于本体 → 容易在受力、压力循环下失效。

对比透射焊接：透射焊接的保压+持续加热给了分子链充分的扩散时间和温度。

四、从聚合物物理层面深化理解

4.1 焊缝本质相同：分子链互扩散与缠结

两种工艺的焊缝本质都是分子链跨界面互穿缠结网络，缠结密度决定焊缝强度。差异之处在于：

透射焊接：热量在内部持续供应，熔体在压力下有时间充分扩散；

同色焊接：热量在表面短暂作用，压合后靠余温扩散，时间窗口短；

两种工艺的最后一步都是结晶固化，PPS 快速结晶的约束同样存在。

4.2 透光率与焊缝强度的解耦

PPS 透光率问题是表面现象（光学散射），焊缝强度是内部结构问题（链缠结）。同色焊接通过「不依赖透光」绕过了光学问题，但代价是：

加热源位置从「内部」移至「表面」，热历史完全改变；

工艺控制从「实时监测」变为「精确计时」，控制精度大幅下降；

焊缝极限强度通常低于透射焊接件。

4.3 与传统热传导焊接的对比

从原理上看，同色焊接与传统热板或热气焊接（Hot Plate Welding）有相通之处：都是先加热面再压合。区别在于：

热板焊接：热源是宏观热板热气，通过热传导升温，温度上限为热板/热气温度，温度均匀但接触面大；

同色焊接：热源是激光（点/线扫描），表面温度不可控，温度局部高、易降解；

两者都面临「压合时机」和「余温窗口」问题，但激光换型更灵活。但是由于对产品焊接过程温度的不可控，导致产品批量良率，以及产品的批量生产鲁棒性是个非常大的问题。这一点需要注意。

五、极限强度对比与定量分析

两种工艺对焊缝极限强度的影响：

透射焊接：理论可达母材 80~95%（受玻纤富集和链扩散影响）；

同色焊接：理论可达母材 60~80%（受余温窗口和表面降解影响）；

极限强度差异：同色焊接通常比透射焊接低 10~20 个百分点。

影响极限强度的核心因素排序：

1. 缠结密度（链扩散时间）：透射 > 同色；

2. 玻纤富集程度：透射 = 同色（两者都受此影响）；

3. 表面降解（仅同色有）：同色风险更高；

4. 界面气泡（仅同色有）：同色风险更高；

六、工艺选择建议

根据工件条件选择工艺：

透光件 + 低/中玻纤：优先透射焊接（强度高、稳定性好）；

全黑件 / 高玻纤（GF30+）：优先同色焊接（透射已不可行）；

高温使用环境（>200℃）：优先透射焊接（强度余量大）；

复杂异形件 / 大面积焊接：同色焊接或热板焊接更适用。

PPS 同色焊接的工艺优化要点：

激光功率+扫描速度：找到表面充分熔融但不过降解的窗口；

加热顺序：先厚壁/高刚度面，再薄壁面，保证压合时两侧温度匹配；

压合时机：从激光停止到压合完成 < 1s；

压合压力：适中（避免挤走熔体），保压 1~3s；

焊后退火：150~180℃ × 2~4h，恢复结晶度、消除内应力。

七、结论

同色（双面加热）焊接是 PPS 这类高结晶、低透光材料的有力替代方案，它绕过了透射焊接的透光率限制，但代价是工艺窗口更窄、风险更多。

五大风险机制（表面过熔/内部欠熔、压合时机窗口窄、界面温度不可见、玻纤界面复杂、结晶抢占扩散）本质上是「加热源在表面」+「PPS 快速结晶」这一物理组合的必然结果。

工艺选型建议：能透射焊接的优先透射焊接；不能透射焊接的工件，必须严格控制同色焊接的工艺参数，并通过破坏验证、显微切片等方式验证焊缝质量。

本技术讨论说明：在 PPS 焊接领域，工艺选择不是「哪种更好」的问题，而是「哪种更匹配材料特性和零件结构」的问题。理解底层原理，才能在面对具体工件时做出正确决策。