激光焊接因其局部加熱、精密加工、非接觸性加熱等優(yōu)點被越來越廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療器械的各個領(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焊接工作。激光焊接技術(shù)大大地促進了醫(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記、耳垢防護器、球囊導(dǎo)管等均離不開激光焊接的使用。

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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。

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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。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行疊焊時更是如此。一般向熱作用區(qū)塑料中添加吸收劑可以達到目的。

（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，最高速度可以達到750m/min。

2018Medtec中國展

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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)點受到該行業(yè)的廣泛關(guān)注。

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耳垢防護器

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措施。Phonak新型“智能護衛(wèi)”的耳垢防護中，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。整個耳垢防護器的大小只有幾個毫米，需要將一個隔膜焊接到一個大約3mm大小的墊圈上，墊圈采用熱塑材料制成。

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分析儀器

分析儀器通常配備有設(shè)計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。因為兩個部件均為透明設(shè)計，所以對焊接工藝有著特殊要求。為能吸收激光射束，接合兩個不同部件時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。此處的兩個接合部件－外殼和罩蓋－均為透明。因此在實際的焊接過程開始之前，作為激光束吸收器置于兩個部件的焊縫上。

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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，使塑料熔化實現(xiàn)焊接。先進的激光焊接技術(shù)可以實現(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時暢通無阻，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)的引進有利于進一步縮小球囊擴張導(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。

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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 泵是一臺純物理驅(qū)動的泵，可設(shè)置不同的泵送劑量。其組件必須承受高達 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。

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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。通道幾何形狀會保持原樣，避免熔化物流入僅 200 μm 的狹窄通道中。

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展 望

塑料激光焊接工藝在醫(yī)療器械上的使用遠不止上述幾種，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)試和實驗。當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的激光加工技術(shù)，會設(shè)計出更多高質(zhì)量、高要求的醫(yī)療設(shè)備。