激光焊接应用于医疗设备制造

         医疗设备制造中的聚合物焊接与焊接物的材质、颜色以及焊接工艺控制、参数设置息息相关。与传统的超声波、加热式塑料连接法相比，激光塑料焊接具有如下特殊优势：
        ● 焊接质量好；
        ● 焊接区域受破坏程度小（焊接内部）；
        ● 焊接部位清洁美观（没有微粒）；
        ● 高视觉质量的焊缝；
        ● 焊接物的热负载最低；
        ● 设计流程简单快捷（例如，表面平整即可）；
        ● 采用无接触式焊接工艺（丝毫不影响焊接质量）；
        ● 在线闭环过程控制下的文档记录。
        采用640 nm至2 m波长范围的高功率半导体激光系统，可同步实现在线闭环过程控制与参数文档记录。基于激光的塑料焊接工艺中，最佳波长是810 nm、940 nm、980 nm、1470 nm与1940 nm。基于半导体激光系统的性质，可通过调制驱动电流，从而直接调制光学输出功率，焊接流程简单快捷。
        焊接物的颜色决定了焊接工艺的复杂程度。除了直接焊接两种透明材质之外，所有其它材料组合的连接都要使用“激光透明”夹层——该夹层位于“激光吸收”区的顶部。激光将在接触面之间产生熔池。由于焊接物吸收激光以及熔池生成、透明塑料上的熔池需要进行湿处理等系列因素，焊接过程需一定时间（图1）。

        激光焊接塑料所使用的各种方法有：

        ● 顺序型周线焊接

        ● 同步焊接

        ● 掩模焊接

        ● 准同步焊接

        顺序型周线焊接方式的速度极低，但可以控制施加到工件上的热量。同步焊接方式适用于快速和大批量生产，但存在灵活性差以及四周加热不均匀等缺点。掩模焊接方式灵活性不高，因为对于每一轮廓，都需要新的掩模，消耗掉的激光能量比所需要的更高，因此工艺效率比较低。准同步焊接方式结合了顺序型周线焊接和快速振镜扫描工序，配备了高温计。准同步方式能够快速、精确地进行焊接，控制热量，同时储存相关工艺数据用于质量控制和跟踪。

        

        过程控制

        闭环过程控制是基于预设焊接温度、在线测量焊接温度，以及在线调节激光功率（如设置温度与测量温度之间出现偏差）。在开环过程与闭环过程的对比中可以看出，如果光学功率恒定，则焊点的温度会不断上升。如不停止加工，最终将导致焊接物烧毁。而对于闭环过程来说，可通过调节激光功率，使焊点温度接近闭环控制下的设置温度。如果使用这种工艺，激光功率可降到只需要维持熔池的程度，防止焊点温度过热。通过优化焊接温度，加工得以进一步进行。

                 上图的示例还可体现闭环焊接工艺的其它优点。如前所述，信号波纹是由使用的玻璃增强PCB材料所产生（图2）。在激光功率恒定时，靠近观察单个环的温度分布外形，可知：尽管焊缝呈对称方形的形状，但是在方形的不同侧面，其焊接温度各不相同。详细检查显示，这是由于聚合物基体内部的玻璃纤维取向不同所造成。根据这些不同取向，一部分的激光光线被玻璃纤维传递到基体的更深处。在此情况下，焊点温度将低于与光路垂直方向的纤维的温度。

        显然，此类材料只能在优化焊接温度下进行焊接，激光功率需要在线调节；因此，绝对需要半导体激光系统结合高温计与扫描振镜配合使用。对于表面吸收如此不均匀的材料，固定功率的激光光源很难实现优良的焊接效果。爆裂压力试验表明，使用优化焊接温度可以实现更多的工艺参数组合和更高的爆裂压力。

        另外，高温计的信号不仅有助于优化工艺，还可用于失效检测。在一个案例中，模注工艺期间，因气泡的存在，使两个部件之间存在空隙。这一非接触区域造成过热，同时在温度信号的尖峰而被检测出来。因此，可拒收此类部件，或送交质检部做进一步检查。nextpage 

         

        光束整形

        除了与扫描器、高温计一起应用之外，基于激光的塑料焊接还可以充分利用激光的光束整形。在图3所示设备中，使用均匀的线形激光源焊接微通道结构，类似于生物芯片应用。由于光束的均匀水平达到了95%，因此，焊接也十分均匀——即使在较大的面积上。光纤耦合半导体激光系统提供此类均匀光束，并可量身定制，以适合于各种几何形状。对于尺寸达600毫米的极大均匀激光光束，可以由非光纤耦合的直接光束半导体激光模块来实现。

        

        白色材料与透明材料

        白色聚合物与透明聚合物广泛应用于医疗设备制造中，更倾向于用半导体激光系统进行焊接。这些颜色带来的高视觉质量的缝隙观感以及无微粒工艺优势，使半导体激光器系统进行塑料焊接在医疗设备制造中的应用潜力价值很高。在医疗这一特殊领域，塑料焊接不推荐使用特殊添加剂，因国家审批程序繁琐。使用半导体激光器系统进行塑料焊接，采用国家已经批准和使用的材料组合，不需要添加剂即可工作，简单高效快捷。

                 值得一提的是，在焊接白色聚合物时采用更长的波长（例如1470 nm范围），可以得到更佳的白色观感。例如，对比两种白色聚合物所能达到白色观感。一种聚合物采用808 nm波长焊接，另一种采用1470 nm波长焊接。在1470 nm情况下焊接时具有的优点是：用于白色观感的获批材料，其浓度可变，因此在1470 nm波长下可发挥“激光透明”与“激光吸收”特性，而不会影响可见的白色外观。

        对于透明塑料，焊接原理完全不同。没有添加剂时，此类塑料通常不能吸收可见光范围内的光线，即使是1550 nm波长的光线。这就是我们称其为透明的原因。但是，仍有机会利用聚合物的本征吸收特性，进行激光焊接，起始于约1800 nm的波长。聚合物链在光线波长大于1800 nm的影响下振动，并导致这种本质吸收。由于大量材料本身而不是表面发生这种作用，因此极其适用于薄膜焊接或管道焊接，形成穿透焊透加工。薄膜焊接时没有压力；由于静电原因，两种薄膜已经接触。在对瓶形袋进行填充之后，采用波长为1940 nm的同一激光器密封袋口。

        透明焊接的另一个示例（图４）显示了透明的Makrolon（模克隆）设备的微观状况。采用1940 nm波长旋转焊接这种圆柱形部件。

        如前所述，在波长大于1800nm时，透明聚合物的吸收加工特性具有体积效应。因此，要求关注两种透明部件在其接触面处的内部焊接。具有较短工作距离的极大孔径光学设备已能取得优良的效果。在此设置中，能量聚焦于接触面处；同时由于焦点之外的功率密度更低，因此亮度以及材料的体积吸收更低。

        

        本文结论

        鉴于已经提到的工艺优点，DILAS半导体激光系统及其直接快速调制特性，以及针对不同应用可提供全范围波长（640 nm至2000 nm）的事实，说明半导体激光系统是塑料焊接应用中毫米级焊缝宽度的理想激光光源。半导体激光系统组合高温计和振镜扫描器，可以优化焊接的效果，符合医疗设备制造要求的高度质量控制与工艺存档要求。

         图4、激光焊接的Makrolon部件的

截面图（采用1940nm波长）。        事实证明，在优化焊接温度下，半导体激光器可以用于焊接那些表面吸收不均匀的材料（例如玻璃增强聚合物）。另外，使用高温计和振镜扫描器的组合，配在半导体激光系统中，可以补偿表面吸收变化，如颜色变化。

        二极管激光系统还具有光束整形和均匀化等优点，允许根据应用情况调节光束几何形状，例如较大焊缝宽度或用于掩模焊接方式。

        白色与透明塑料是医疗设备制造中十分重要的材料。半导体激光器因波长的扩展，使激光焊接白色与透明聚合物得以实现。使用半导体激光器进行医疗设备中的白色与透明塑料的焊接，将使客户受益非浅。

        

        本文作者Jrg Neukum博士曾在德国Darmstadt科技大学研究物理学，荣获稀土光谱学领域博士学位。在担任一家日本激光二极管制造商的产品经理职务以及Coherent Semiconductor的欧洲销售经理之后，于2004年加入Dilas Diodenlaser公司（网址：www.dilas-ils.com），现在负责DILAS全球市场与销售，以及DILAS工业激光器系统部。

        Jrg Neukum博士在此感谢Wolfgang Horn（Dilas Diodenlaser公司）、Chul S. Lee博士（巴斯夫公司）、Rick Davis（Rofin-Sinar公司）以及Alexander Savitski博士（Baxter集团）的帮助，因此才得出本文所述结论。