醫(yī)療設(shè)備制造中的聚合物焊接與焊接物的材質(zhì)、顏色以及焊接工藝控制、參數(shù)設(shè)置息息相關(guān)。與傳統(tǒng)的超聲波、加熱式塑料連接法相比，激光塑料焊接具有如下特殊優(yōu)勢：
● 焊接質(zhì)量好；
● 焊接區(qū)域受破壞程度小（焊接內(nèi)部）；
● 焊接部位清潔美觀（沒有微粒）；
● 高視覺質(zhì)量的焊縫；
● 焊接物的熱負(fù)載最低；
● 設(shè)計流程簡單快捷（例如，表面平整即可）；
● 采用無接觸式焊接工藝（絲毫不影響焊接質(zhì)量）；
● 在線閉環(huán)過程控制下的文檔記錄。
采用640 nm至2m波長范圍的高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，可同步實現(xiàn)在線閉環(huán)過程控制與參數(shù)文檔記錄?；诩す獾乃芰虾附庸に囍?，最佳波長是810 nm、940 nm、980 nm、1470 nm與1940 nm。基于半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的性質(zhì),可通過調(diào)制驅(qū)動電流，從而直接調(diào)制光學(xué)輸出功率，焊接流程簡單快捷。
焊接物的顏色決定了焊接工藝的復(fù)雜程度。除了直接焊接兩種透明材質(zhì)之外，所有其它材料組合的連接都要使用“激光透明”夾層——該夾層位于“激光吸收”區(qū)的頂部。激光將在接觸面之間產(chǎn)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進行濕處理等系列因素，焊接過程需一定時間（圖1）。
 

激光焊接塑料所使用的各種方法有：
● 順序型周線焊接
● 同步焊接
● 掩模焊接
● 準(zhǔn)同步焊接
順序型周線焊接方式的速度極低，但可以控制施加到工件上的熱量。同步焊接方式適用于快速和大批量生產(chǎn)，但存在靈活性差以及四周加熱不均勻等缺點。掩模焊接方式靈活性不高，因為對于每一輪廓，都需要新的掩模，消耗掉的激光能量比所需要的更高，因此工藝效率比較低。準(zhǔn)同步焊接方式結(jié)合了順序型周線焊接和快速振鏡掃描工序，配備了高溫計。準(zhǔn)同步方式能夠快速、精確地進行焊接，控制熱量，同時儲存相關(guān)工藝數(shù)據(jù)用于質(zhì)量控制和跟蹤。

過程控制
閉環(huán)過程控制是基于預(yù)設(shè)焊接溫度、在線測量焊接溫度，以及在線調(diào)節(jié)激光功率（如設(shè)置溫度與測量溫度之間出現(xiàn)偏差）。在開環(huán)過程與閉環(huán)過程的對比中可以看出，如果光學(xué)功率恒定，則焊點的溫度會不斷上升。如不停止加工，最終將導(dǎo)致焊接物燒毀。而對于閉環(huán)過程來說，可通過調(diào)節(jié)激光功率，使焊點溫度接近閉環(huán)控制下的設(shè)置溫度。如果使用這種工藝，激光功率可降到只需要維持熔池的程度，防止焊點溫度過熱。通過優(yōu)化焊接溫度，加工得以進一步進行。

上圖的示例還可體現(xiàn)閉環(huán)焊接工藝的其它優(yōu)點。如前所述，信號波紋是由使用的玻璃增強PCB材料所產(chǎn)生（圖2）。在激光功率恒定時，靠近觀察單個環(huán)的溫度分布外形，可知：盡管焊縫呈對稱方形的形狀，但是在方形的不同側(cè)面，其焊接溫度各不相同。詳細(xì)檢查顯示，這是由于聚合物基體內(nèi)部的玻璃纖維取向不同所造成。根據(jù)這些不同取向，一部分的激光光線被玻璃纖維傳遞到基體的更深處。在此情況下，焊點溫度將低于與光路垂直方向的纖維的溫度。
顯然，此類材料只能在優(yōu)化焊接溫度下進行焊接，激光功率需要在線調(diào)節(jié)；因此，絕對需要半導(dǎo)體激光系統(tǒng)結(jié)合高溫計與掃描振鏡配合使用。對于表面吸收如此不均勻的材料，固定功率的激光光源很難實現(xiàn)優(yōu)良的焊接效果。爆裂壓力試驗表明，使用優(yōu)化焊接溫度可以實現(xiàn)更多的工藝參數(shù)組合和更高的爆裂壓力。

另外，高溫計的信號不僅有助于優(yōu)化工藝，還可用于失效檢測。在一個案例中，模注工藝期間，因氣泡的存在，使兩個部件之間存在空隙。這一非接觸區(qū)域造成過熱，同時在溫度信號的尖峰而被檢測出來。因此，可拒收此類部件，或送交質(zhì)檢部做進一步檢查。

光束整形
除了與掃描器、高溫計一起應(yīng)用之外，基于激光的塑料焊接還可以充分利用激光的光束整形。在圖3所示設(shè)備中，使用均勻的線形激光源焊接微通道結(jié)構(gòu)，類似于生物芯片應(yīng)用。由于光束的均勻水平達到了95%，因此，焊接也十分均勻——即使在較大的面積上。光纖耦合半導(dǎo)體激光系統(tǒng)提供此類均勻光束，并可量身定制，以適合于各種幾何形狀。對于尺寸達600毫米的極大均勻激光光束，可以由非光纖耦合的直接光束半導(dǎo)體激光模塊來實現(xiàn)。

白色材料與透明材料
白色聚合物與透明聚合物廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備制造中，更傾向于用半導(dǎo)體激光系統(tǒng)進行焊接。這些顏色帶來的高視覺質(zhì)量的縫隙觀感以及無微粒工藝優(yōu)勢，使半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)進行塑料焊接在醫(yī)療設(shè)備制造中的應(yīng)用潛力價值很高。在醫(yī)療這一特殊領(lǐng)域，塑料焊接不推薦使用特殊添加劑，因國家審批程序繁瑣。使用半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)進行塑料焊接，采用國家已經(jīng)批準(zhǔn)和使用的材料組合，不需要添加劑即可工作，簡單高效快捷。

值得一提的是，在焊接白色聚合物時采用更長的波長（例如1470 nm范圍），可以得到更佳的白色觀感。例如，對比兩種白色聚合物所能達到白色觀感。一種聚合物采用808 nm波長焊接，另一種采用1470 nm波長焊接。在1470 nm情況下焊接時具有的優(yōu)點是：用于白色觀感的獲批材料，其濃度可變，因此在1470 nm波長下可發(fā)揮“激光透明”與“激光吸收”特性，而不會影響可見的白色外觀。
對于透明塑料，焊接原理完全不同。沒有添加劑時，此類塑料通常不能吸收可見光范圍內(nèi)的光線，即使是1550 nm波長的光線。這就是我們稱其為透明的原因。但是，仍有機會利用聚合物的本征吸收特性，進行激光焊接，起始于約1800 nm的波長。聚合物鏈在光線波長大于1800 nm的影響下振動，并導(dǎo)致這種本質(zhì)吸收。由于大量材料本身而不是表面發(fā)生這種作用，因此極其適用于薄膜焊接或管道焊接，形成穿透焊透加工。薄膜焊接時沒有壓力；由于靜電原因，兩種薄膜已經(jīng)接觸。在對瓶形袋進行填充之后，采用波長為1940 nm的同一激光器密封袋口。透明焊接的另一個示例（圖４）顯示了透明的Makrolon（?？寺。┰O(shè)備的微觀狀況。采用1940 nm波長旋轉(zhuǎn)焊接這種圓柱形部件。
如前所述，在波長大于1800nm時，透明聚合物的吸收加工特性具有體積效應(yīng)。因此，要求關(guān)注兩種透明部件在其接觸面處的內(nèi)部焊接。具有較短工作距離的極大孔徑光學(xué)設(shè)備已能取得優(yōu)良的效果。在此設(shè)置中，能量聚焦于接觸面處；同時由于焦點之外的功率密度更低，因此亮度以及材料的體積吸收更低。

本文結(jié)論
鑒于已經(jīng)提到的工藝優(yōu)點，DILAS半導(dǎo)體激光系統(tǒng)及其直接快速調(diào)制特性，以及針對不同應(yīng)用可提供全范圍波長（640 nm至2000 nm）的事實，說明半導(dǎo)體激光系統(tǒng)是塑料焊接應(yīng)用中毫米級焊縫寬度的理想激光光源。半導(dǎo)體激光系統(tǒng)組合高溫計和振鏡掃描器，可以優(yōu)化焊接的效果，符合醫(yī)療設(shè)備制造要求的高度質(zhì)量控制與工藝存檔要求。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖4、激光焊接的Makrolon部件的截面圖
（采用1940nm波長）。

事實證明，在優(yōu)化焊接溫度下，半導(dǎo)體激光器可以用于焊接那些表面吸收不均勻的材料（例如玻璃增強聚合物）。另外，使用高溫計和振鏡掃描器的組合，配在半導(dǎo)體激光系統(tǒng)中，可以補償表面吸收變化，如顏色變化。
二極管激光系統(tǒng)還具有光束整形和均勻化等優(yōu)點，允許根據(jù)應(yīng)用情況調(diào)節(jié)光束幾何形狀，例如較大焊縫寬度或用于掩模焊接方式。
白色與透明塑料是醫(yī)療設(shè)備制造中十分重要的材料。半導(dǎo)體激光器因波長的擴展，使激光焊接白色與透明聚合物得以實現(xiàn)。使用半導(dǎo)體激光器進行醫(yī)療設(shè)備中的白色與透明塑料的焊接，將使客戶受益非淺。 （作者：Jrg Neukum博士，Dilas Diodenlaser公司 ）

本文作者Jrg Neukum博士曾在德國Darmstadt科技大學(xué)研究物理學(xué)，榮獲稀土光譜學(xué)領(lǐng)域博士學(xué)位。在擔(dān)任一家日本激光二極管制造商的產(chǎn)品經(jīng)理職務(wù)以及Coherent Semiconductor的歐洲銷售經(jīng)理之后，于2004年加入Dilas Diodenlaser公司（網(wǎng)址：www.dilas-ils.com），現(xiàn)在負(fù)責(zé)DILAS全球市場與銷售，以及DILAS工業(yè)激光器系統(tǒng)部。
Jrg Neukum博士在此感謝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集團）的幫助，因此才得出本文所述結(jié)論。