激光焊接在醫(yī)療行業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用

塑料之間的連接是非常具有挑戰(zhàn)性的。

特別是對于醫(yī)療行業(yè)，很難找到滿足生物相容性要求和FDA批準的粘合劑。此外，許多常用的聚合物，例如PP，PE和PTFE，其表面能低，也導(dǎo)致難以用粘合劑粘接。

粘合劑通常被用作原型制造中的快速、臨時的解決方案。然而在后續(xù)量產(chǎn)時，塑料焊接則是一種更為經(jīng)濟有效的方案，能夠提供一致性好、高強度的焊接，且不需要額外的耗材。

塑料焊接的風險和挑戰(zhàn)，往往是由于焊接工藝選擇、焊縫設(shè)計和測試方法不當，以及零件變形和尺寸偏差造成的。通過采取一步一步的排除分析和改善措施，可以減少或者消除這些問題。

塑料焊接工藝的開發(fā)過程遵循以下步驟：

• 定義問題

• 選擇工藝

• 接頭設(shè)計

• 測試驗證

一、定義問題

在選擇焊接工藝時，前期明確產(chǎn)品材料和性能要求，對工藝選擇至關(guān)重要。通過早期定義這些，您可以避免后續(xù)損失。

在決定焊縫位置或焊接工藝之前，應(yīng)思考并回答以下問題。

1.強度

載荷方向是什么?將會經(jīng)歷什么樣的拉伸或剪切力?

如果可能的話，設(shè)計的焊縫應(yīng)使其工作時盡量承受剪切力，因為塑料焊接在剪切力方向承受的載荷最大。塑料焊接可承受的拉伸載荷次之，可承受的剝離力最弱。如圖1所示。

2.密封

這個產(chǎn)品需要密封嗎？如果需要，要承受壓強是多少？是氣密還是水密？有測試溫度要求嗎？

對于有密封要求的產(chǎn)品，通常是在要密封的腔室一周設(shè)計有閉合的焊接線，以及相應(yīng)的溝槽或者狹小的縫隙空間，熔化的塑料填充滿槽或者縫隙，以實現(xiàn)密封要求。產(chǎn)品的尺寸大小和形狀不同，選擇的塑料焊接工藝也會不同

3.外觀

有什么外觀要求嗎？“A”面在哪里？允許溢料可見嗎？

大多數(shù)焊接工藝都有可能產(chǎn)生外觀缺陷。然而，這些問題可以通過改善治具和優(yōu)化焊接參數(shù)、或者簡化零件表面、或者隱藏焊接面的方式加以限制。如果無法避免，那么需要增加前一道工序（例如烘干）加以預(yù)防，或者增加后一道工序（例如去溢料）加以修正，不過這些措施會增加成本。

4.顆粒污染物

產(chǎn)品內(nèi)是否允許有顆粒物或者松散的溢料？

對于依靠表面摩擦產(chǎn)生熱量的焊接工藝，例如旋轉(zhuǎn)焊接和振動摩擦焊接，很難避免不產(chǎn)生顆粒污染物，以及松散的溢料。

 5.材料

材料對焊接性能的影響因素，除了材料中的基礎(chǔ)樹脂特性，還包括各種添加劑，如著色劑、填充劑、沖擊改性劑、潤滑劑等。這些組成共同影響焊接工藝的選擇。例如， 采用激光焊接工藝時，要求上層零件無著色劑，以允許激光穿透傳輸；下層零件要求添加碳黑，以充分吸收激光能量。

一般情況下，應(yīng)盡量減少填料含量，以確保有足夠的樹脂進行焊接，從而保證焊接強度。因此，建議填料含量控制在33%以下。

另外，兩個零件必須是材料相容的，即具有相同或相似的熔點和粘度，以保證分子間發(fā)生擴散完成焊接。

二、選擇工藝

常見的塑料焊接工藝對比：

激光焊接塑料要求在上下零件吸收少量的光能（2um焊接系統(tǒng)），或者在焊接處上層透射-下層吸收光能（1um焊接系統(tǒng)）。能量吸收效率，由所選擇的波長，以及樹脂與填料在該波長上的透射度決定。

（激光焊接示意）

超聲波焊接通過因聚合物的粘彈特性而產(chǎn)生的機械振動能量損失，即產(chǎn)生熱量來工作。產(chǎn)生超聲波振動的模具叫做焊頭。焊頭與零件接觸表面，必須平行于焊接筋，且距離較短（一般＜6mm）。此外，在焊接區(qū)域及附近，應(yīng)避免尖角和薄的懸臂結(jié)構(gòu)，防止損壞。

（超聲波焊接示意）

（醫(yī)療行業(yè)常用塑料的可焊接性能）

熱板和紅外焊接，分別加熱兩個部件的焊接表面，然后將兩個部件合在一起，施加壓力以促進分子擴散。在熱板焊接中，零件表面與加熱工具直接接觸，因此適合具有較高粘度的塑料焊接，以避免材料粘在熱板上。在紅外焊接中，零件表面應(yīng)避免白色，并添加填料以增加能量吸收效率，減小生產(chǎn)節(jié)拍。

（熱板焊接示意）

旋轉(zhuǎn)和振動摩擦焊接通過表面摩擦產(chǎn)生熱量以實現(xiàn)焊接。這些運動過程中，接頭設(shè)計必須適應(yīng)摩擦運動/振動方向，對于旋轉(zhuǎn)摩擦來說，這意味著焊線設(shè)計必須是圓形。對于振動摩擦來說，接頭設(shè)計必須有足夠的側(cè)向間隙，以容納一定的振動幅度。另外，十分重要的一點，焊筋下方支撐壁必須有足夠剛性，在載荷作用下不變形，以實現(xiàn)摩擦生熱。

（旋轉(zhuǎn)摩擦（左）和振動摩擦（右）示意）

高頻焊接的工作原理是將高介電損耗的聚合物暴露電磁場中，磁場方向高頻交替變化（通常27MHz)。應(yīng)用于10-50mm厚度的薄材料焊接。可用該工藝的材料非常有限。其中，聚氯乙烯(PVC)是最容易的。

（高頻焊接示意）

三、接頭設(shè)計

在塑料焊接中，接頭強度取決于聚合物鏈在熔體界面上的流動，并在接頭處產(chǎn)生分子鏈糾纏的程度。為了實現(xiàn)這一點，一個合理的焊縫設(shè)計非常重要。它可以熔化和塌陷，產(chǎn)生熔體流動。此外，一個良好設(shè)計的焊縫，有助于提高加熱速率，防止泄漏，隱藏溢料，并幫助上下零件對齊。常見的接頭設(shè)計。

（常見超聲波接頭設(shè)計）

不同的焊接工藝，通過不同的方式產(chǎn)生熱量，加熱速率也不相同。好的接頭設(shè)計實際上可以提高加熱速率。例如，超聲波焊接通過使用一個稱為“三角導(dǎo)能筋”的接頭來提高加熱速率。旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，采用正壓力更大的剪切焊縫設(shè)計，比采用斜搭焊縫設(shè)計的加熱速率更快。

采用溝槽焊縫設(shè)計，有助于提高密封性能。這種類型的接頭，熔體可以停留在溝槽內(nèi)及側(cè)壁間隙中，從而減少空隙，提高密封性能。然而，在某些情況下，空氣可能被困在溝槽中，當被困的空氣產(chǎn)生足夠的壓力在熔體中形成氣孔時，會導(dǎo)致泄露。

焊接過程中，從接頭處會擠出一定數(shù)量的熔料，可通過接頭設(shè)計來控制。接頭兩側(cè)增加擋邊，隱藏溢料，甚至控制熔體流動方向，側(cè)壁也有助于上下零件的對齊。

四、試驗驗證

焊接結(jié)果的好壞，必須要有正確的測試方法和治具來進行評估。如果遵循一些簡單的指導(dǎo)方針，焊接強度和氣密性很容易測試。

1.強度測試

施加載荷的方向?qū)y試結(jié)果至關(guān)重要。施加載荷的位置和方向應(yīng)該和實際工作時載荷保持一致。

確保接頭在零件本體破壞前失效。如果測試時，本體材料發(fā)生破壞，那么測試無法給出焊接強度的數(shù)據(jù)，測試方案應(yīng)該重新設(shè)計。

測試整個接頭，而不是截取部分進行強度測試。局部測試可能是不準確的，因為其忽視了潛在的一些較高應(yīng)力的區(qū)域。在初始裂紋產(chǎn)生后，其余位置焊縫會在拉力測試中失效。如果只進行局部測試，將忽略這一種失效方式，錯誤的高估焊接強度。

如果整個接頭難以固定進行拉力試驗，那么考慮使用爆破壓力測試。

2.密封性能測試

定義的測試壓力和可接受的泄漏率，是與最終的使用環(huán)境和要求相關(guān)。常用空氣衰減泄露測試儀，分氣檢和水檢。水密檢測可以設(shè)定不同的水溫。

在泄漏測試時不要將人為加大治具壓緊力。較大的壓緊力導(dǎo)致焊縫接頭壓縮，將產(chǎn)生人為的低泄漏率。

五、結(jié)論

對于醫(yī)療行業(yè)，焊接提供了比粘合劑更好的塑料連接解決方案。這個簡單的指南有助于你初步選擇焊接工藝。最后，如果有東西本該可以焊接，但是卻不能。那么是否可以通過修改來改善？這時候，您需要咨詢更專業(yè)的塑料焊接專家。我們很高興幫助回答這一問題。