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激光焊接因其局部加熱、精密加工、非接觸性加熱等優(yōu)點(diǎn)被越來越廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療器械的各個(gè)領(lǐng)域。
與其他常用的焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)幾乎不產(chǎn)生焊渣和碎屑，而且焊接過程中不需要添加任何粘合劑，因而可在潔凈室中完成整個(gè)焊接工作。激光焊接技術(shù)大大地促進(jìn)了醫(yī)療器械的發(fā)展，比如有源植入式醫(yī)療器械的外殼封裝、心臟支架的不透射線標(biāo)記、耳垢防護(hù)器、球囊導(dǎo)管等均離不開激光焊接的使用。
塑料激光焊接原理
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使工件熔化，形成特定的熔池。如下圖所示，激光束通過上層透光材料，然后被下層材料吸收，激光能量被吸收后轉(zhuǎn)換為熱能，由于兩層材料被壓在一起，熱能從吸收層傳導(dǎo)到透光層上，使得兩層材料熔化并結(jié)合。
塑料激光透射焊接原理
同時(shí)由于材料本身的熱膨脹擴(kuò)張產(chǎn)生內(nèi)部壓力，內(nèi)部壓力與外部壓力共同作用確保了兩部分的堅(jiān)固焊接。以上兩圖直觀地說明了塑料激光焊接的原理與過程。
可見激光光束的能量必須被塑料吸收，才能達(dá)到良好焊接效果，因此塑料激光焊接一般采用半導(dǎo)體激光。另外，并不是所有塑料都能用激光焊接焊接。塑料可區(qū)分為熱固性與熱塑性兩類。其中熱固性塑料不具有重復(fù)成型性，也不能焊接，而熱塑性塑料再加熱后又會(huì)熔化（即可運(yùn)用加熱及冷卻，使其產(chǎn)生可逆變化），是所謂的物理變化，因此具有可焊接性。
塑料激光焊接工藝
（1）激光的波長
塑料焊接過程中常用的是二極管激光器或半導(dǎo)體激光器。光束處于近紅外區(qū)域，并且光束波長在400～1,100μm，可以通過光纖傳輸，在這個(gè)范圍內(nèi)的激光束可以被大多數(shù)的塑料所吸收。二極管激光焊接系統(tǒng)緊湊，并且激光器還可以達(dá)到更高級別的功率。激光的波長可以根據(jù)特殊要求來設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體激光器的波長一般是808～980μm。半導(dǎo)體激光器投資成本小，體積小，效率高。
（2）塑料材料
熱塑性塑料包含無定形塑料和半晶性塑料。能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。
塑料激光焊接技術(shù)對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對光波的透過性好，尤其在對兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。
（3）吸收劑
吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。
通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化得更快、效果更好。一些其他顏色的染料，也能夠起到相同的吸收光波的效果。
添加吸收劑的方法有三種：
一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過；
二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化；
三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。
（4）其他參數(shù)
與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來選擇激光功率。
塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以達(dá)到750m/min。
在醫(yī)療器械領(lǐng)域中的應(yīng)用
隨著塑料材料在醫(yī)療器械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，新型的塑料生產(chǎn)及加工工藝也層出不窮，激光焊接作為其中的一種，因其無污染、非接觸性、無縫連接等優(yōu)點(diǎn)受到該行業(yè)的廣泛關(guān)注。
耳垢防護(hù)器
助聽器越來越趨于小型化，從而為用戶提供更小、更舒適、肉眼不可見的助聽器。當(dāng)今典型的ITE助聽器只有小指尖那樣大小。但是所有助聽器都面臨著一個(gè)大問題：耳道內(nèi)產(chǎn)生的耳蠟（也稱耳垢）對聲音輸出區(qū)域造成污染。為了保證助聽器可以發(fā)揮其可靠功能，有必要在其聲音輸出的位置提供防護(hù)措施。
Phonak新型“智能護(hù)衛(wèi)”的耳垢防護(hù)中，采用的方法是在微小的墊圈上焊接了一種極薄的具有高彈性的隔膜，它能有效地隔斷耳垢進(jìn)入助聽器，此類焊接技術(shù)是瑞士萊丹科技公司開發(fā)的激光掩膜焊接工藝使這一高精度的連接工藝成為可能。整個(gè)耳垢防護(hù)器的大小只有幾個(gè)毫米，需要將一個(gè)隔膜焊接到一個(gè)大約3mm大小的墊圈上，墊圈采用熱塑材料制成。
分析儀器
分析儀器通常配備有設(shè)計(jì)為一次性使用的特定部件。為盡可能降低成本，這些部件多數(shù)為塑料制品。
圖中的部件在中國研發(fā)，用于血液分析。此處將選用輪廓焊接工藝。因?yàn)閮蓚€(gè)部件均為透明設(shè)計(jì)，所以對焊接工藝有著特殊要求。為能吸收激光射束，接合兩個(gè)不同部件時(shí)一般情況下必須將透明部件放在上方，位于下方的部件具備吸收能力。此處的兩個(gè)接合部件－外殼和罩蓋－均為透明。因此在實(shí)際的焊接過程開始之前，作為激光束吸收器置于兩個(gè)部件的焊縫上。
球囊導(dǎo)管
球囊導(dǎo)管激光焊接是使用激光作為能量來源的紅外線焊接，可以使用激光束直接射到吸收激光的塑料表面，使塑料熔化實(shí)現(xiàn)焊接。先進(jìn)的激光焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)球囊頭端和管體的無縫連接，使球囊導(dǎo)管在彎曲而狹窄的病變血管中推進(jìn)時(shí)暢通無阻，對血管的損傷降至最小，操作過程更加安全。激光焊接技術(shù)的引進(jìn)有利于進(jìn)一步縮小球囊擴(kuò)張導(dǎo)管尖端外徑。
與金屬焊接不同的是塑料激光焊接需要的激光功率要小。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞，由此應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度合理選擇激光功率。
配藥系統(tǒng)
“給藥系統(tǒng)”或藥品配料系統(tǒng)可幫助患者持續(xù)用藥。其越來越小巧的結(jié)構(gòu)更加便于攜帶。例如Rowe Pump 泵是一臺(tái)純物理驅(qū)動(dòng)的泵，可設(shè)置不同的泵送劑量。其組件必須承受高達(dá) 4 bar 的內(nèi)部壓力。由于直接用于患者，因此衛(wèi)生方面要求極高，而且集成的微通道直徑位于 >10 μm 區(qū)域，焊縫必須絕對完全無顆粒。借助激光焊接技術(shù)可滿足這些要求。
微流控部件
借助掩模焊接原理可精確穩(wěn)固地焊接微流控部件。通道幾何形狀會(huì)保持原樣，避免熔化物流入僅200 µm 的狹窄通道中。
展 望
塑料激光焊接工藝在醫(yī)療器械上的使用遠(yuǎn)不止上述幾種，塑料激光焊接工藝正被越來越多的醫(yī)療器械廠家采用，它的應(yīng)用前景將非常光明。
然而欲使焊接效果達(dá)到滿意的程度，還需要對焊接功率、焊接速度、焊接頻率等參數(shù)不斷的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前除了激光焊接技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)，有許多其他創(chuàng)新的激光加工技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備的制造中也有很大的潛力，比如激光表面改性、激光切割、激光鉆孔和激光微加工等。相信好好研究和借鑒使用這些先進(jìn)的激光加工技術(shù)，會(huì)設(shè)計(jì)出更多高質(zhì)量、高要求的醫(yī)療設(shè)備。
與其他常用的焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)幾乎不產(chǎn)生焊渣和碎屑，而且焊接過程中不需要添加任何粘合劑，因而可在潔凈室中完成整個(gè)焊接工作。激光焊接技術(shù)大大地促進(jìn)了醫(yī)療器械的發(fā)展，比如有源植入式醫(yī)療器械的外殼封裝、心臟支架的不透射線標(biāo)記、耳垢防護(hù)器、球囊導(dǎo)管等均離不開激光焊接的使用。
塑料激光焊接原理
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使工件熔化，形成特定的熔池。如下圖所示，激光束通過上層透光材料，然后被下層材料吸收，激光能量被吸收后轉(zhuǎn)換為熱能，由于兩層材料被壓在一起，熱能從吸收層傳導(dǎo)到透光層上，使得兩層材料熔化并結(jié)合。
塑料激光透射焊接原理
同時(shí)由于材料本身的熱膨脹擴(kuò)張產(chǎn)生內(nèi)部壓力，內(nèi)部壓力與外部壓力共同作用確保了兩部分的堅(jiān)固焊接。以上兩圖直觀地說明了塑料激光焊接的原理與過程。
可見激光光束的能量必須被塑料吸收，才能達(dá)到良好焊接效果，因此塑料激光焊接一般采用半導(dǎo)體激光。另外，并不是所有塑料都能用激光焊接焊接。塑料可區(qū)分為熱固性與熱塑性兩類。其中熱固性塑料不具有重復(fù)成型性，也不能焊接，而熱塑性塑料再加熱后又會(huì)熔化（即可運(yùn)用加熱及冷卻，使其產(chǎn)生可逆變化），是所謂的物理變化，因此具有可焊接性。
塑料激光焊接工藝
（1）激光的波長
塑料焊接過程中常用的是二極管激光器或半導(dǎo)體激光器。光束處于近紅外區(qū)域，并且光束波長在400～1,100μm，可以通過光纖傳輸，在這個(gè)范圍內(nèi)的激光束可以被大多數(shù)的塑料所吸收。二極管激光焊接系統(tǒng)緊湊，并且激光器還可以達(dá)到更高級別的功率。激光的波長可以根據(jù)特殊要求來設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體激光器的波長一般是808～980μm。半導(dǎo)體激光器投資成本小，體積小，效率高。
（2）塑料材料
熱塑性塑料包含無定形塑料和半晶性塑料。能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上，所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。
塑料激光焊接技術(shù)對被焊接塑料的要求為：在熱作用區(qū)內(nèi)的材料，要求對激光光波的吸收性好；不屬于熱作用區(qū)部分的材料，則要求對光波的透過性好，尤其在對兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達(dá)到目的。
（3）吸收劑
吸收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。
通常理想的吸收劑是碳黑，碳黑能夠?qū)⒓t外波長的激光能量基本全部吸收，從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得熱作用區(qū)的材料融化得更快、效果更好。一些其他顏色的染料，也能夠起到相同的吸收光波的效果。
添加吸收劑的方法有三種：
一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑，這樣應(yīng)該將滲過吸收劑的塑料件放在下面，而把沒有滲吸收劑的塑料件放在上面，讓激光光波通過；
二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑，這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區(qū)而被融化；
三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。
（4）其他參數(shù)
與金屬焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞。應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度來選擇激光功率。
塑料激光焊接的速度比較快，一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達(dá)20m/min；而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜，最高速度可以達(dá)到750m/min。
在醫(yī)療器械領(lǐng)域中的應(yīng)用
隨著塑料材料在醫(yī)療器械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，新型的塑料生產(chǎn)及加工工藝也層出不窮，激光焊接作為其中的一種，因其無污染、非接觸性、無縫連接等優(yōu)點(diǎn)受到該行業(yè)的廣泛關(guān)注。
耳垢防護(hù)器
助聽器越來越趨于小型化，從而為用戶提供更小、更舒適、肉眼不可見的助聽器。當(dāng)今典型的ITE助聽器只有小指尖那樣大小。但是所有助聽器都面臨著一個(gè)大問題：耳道內(nèi)產(chǎn)生的耳蠟（也稱耳垢）對聲音輸出區(qū)域造成污染。為了保證助聽器可以發(fā)揮其可靠功能，有必要在其聲音輸出的位置提供防護(hù)措施。
Phonak新型“智能護(hù)衛(wèi)”的耳垢防護(hù)中，采用的方法是在微小的墊圈上焊接了一種極薄的具有高彈性的隔膜，它能有效地隔斷耳垢進(jìn)入助聽器，此類焊接技術(shù)是瑞士萊丹科技公司開發(fā)的激光掩膜焊接工藝使這一高精度的連接工藝成為可能。整個(gè)耳垢防護(hù)器的大小只有幾個(gè)毫米，需要將一個(gè)隔膜焊接到一個(gè)大約3mm大小的墊圈上，墊圈采用熱塑材料制成。
（圖片來源：萊丹塑料焊接技術(shù)（上海）有限公司，以下圖片均源自該公司）
分析儀器
分析儀器通常配備有設(shè)計(jì)為一次性使用的特定部件。為盡可能降低成本，這些部件多數(shù)為塑料制品。
圖中的部件在中國研發(fā)，用于血液分析。此處將選用輪廓焊接工藝。因?yàn)閮蓚€(gè)部件均為透明設(shè)計(jì)，所以對焊接工藝有著特殊要求。為能吸收激光射束，接合兩個(gè)不同部件時(shí)一般情況下必須將透明部件放在上方，位于下方的部件具備吸收能力。此處的兩個(gè)接合部件－外殼和罩蓋－均為透明。因此在實(shí)際的焊接過程開始之前，作為激光束吸收器置于兩個(gè)部件的焊縫上。
球囊導(dǎo)管
球囊導(dǎo)管激光焊接是使用激光作為能量來源的紅外線焊接，可以使用激光束直接射到吸收激光的塑料表面，使塑料熔化實(shí)現(xiàn)焊接。先進(jìn)的激光焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)球囊頭端和管體的無縫連接，使球囊導(dǎo)管在彎曲而狹窄的病變血管中推進(jìn)時(shí)暢通無阻，對血管的損傷降至最小，操作過程更加安全。激光焊接技術(shù)的引進(jìn)有利于進(jìn)一步縮小球囊擴(kuò)張導(dǎo)管尖端外徑。
與金屬焊接不同的是塑料激光焊接需要的激光功率要小。焊接激光功率越大，塑料件上的熱作用區(qū)就越大、越深，將導(dǎo)致材料過熱、變形、甚至損壞，由此應(yīng)該根據(jù)需要融化的深度合理選擇激光功率。
“給藥系統(tǒng)”或藥品配料系統(tǒng)可幫助患者持續(xù)用藥。其越來越小巧的結(jié)構(gòu)更加便于攜帶。例如Rowe Pump 泵是一臺(tái)純物理驅(qū)動(dòng)的泵，可設(shè)置不同的泵送劑量。其組件必須承受高達(dá) 4 bar 的內(nèi)部壓力。由于直接用于患者，因此衛(wèi)生方面要求極高，而且集成的微通道直徑位于 >10 μm 區(qū)域，焊縫必須絕對完全無顆粒。借助激光焊接技術(shù)可滿足這些要求。
微流控部件
借助掩模焊接原理可精確穩(wěn)固地焊接微流控部件。通道幾何形狀會(huì)保持原樣，避免熔化物流入僅200 µm 的狹窄通道中。
展 望
塑料激光焊接工藝在醫(yī)療器械上的使用遠(yuǎn)不止上述幾種，塑料激光焊接工藝正被越來越多的醫(yī)療器械廠家采用，它的應(yīng)用前景將非常光明。
然而欲使焊接效果達(dá)到滿意的程度，還需要對焊接功率、焊接速度、焊接頻率等參數(shù)不斷的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前除了激光焊接技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)，有許多其他創(chuàng)新的激光加工技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備的制造中也有很大的潛力，比如激光表面改性、激光切割、激光鉆孔和激光微加工等。相信好好研究和借鑒使用這些先進(jìn)的激光加工技術(shù)，會(huì)設(shè)計(jì)出更多高質(zhì)量、高要求的醫(yī)療設(shè)備。
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