醫療設備制造中的聚合物焊接與焊接物的材質、顏色以及焊接工藝控制、參數設置息息相關。與傳統的超聲波、加熱式塑料連接法相比，激光塑料焊接具有如下特殊優勢：
● 焊接質量好；
● 焊接區域受破壞程度小（焊接內部）；
● 焊接部位清潔美觀（沒有微粒）；
● 高視覺質量的焊縫；
● 焊接物的熱負載最低；
● 設計流程簡單快捷（例如，表面平整即可）；
● 采用無接觸式焊接工藝（絲毫不影響焊接質量）；
● 在線閉環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體激光系統，可同步實現在線閉環過程控制與參數文檔記錄。基于激光的塑料焊接工藝中，最佳波長是810 nm、940 nm、980 nm、1470 nm與1940 nm。基于半導體激光系統的性質,可通過調制驅動電流，從而直接調制光學輸出功率，焊接流程簡單快捷。
焊接物的顏色決定了焊接工藝的復雜程度。除了直接焊接兩種透明材質之外，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”區的頂部。激光將在接觸面之間產生熔池。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，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。準同步焊接方式結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，同時儲存相關工藝數據用于質量控制和跟蹤。

過程控制
閉環過程控制是基于預設焊接溫度、在線測量焊接溫度，以及在線調節激光功率（如設置溫度與測量溫度之間出現偏差）。在開環過程與閉環過程的對比中可以看出，如果光學功率恒定，則焊點的溫度會不斷上升。如不停止加工，最終將導致焊接物燒毀。而對于閉環過程來說，可通過調節激光功率，使焊點溫度接近閉環控制下的設置溫度。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。通過優化焊接溫度，加工得以進一步進行。

上圖的示例還可體現閉環焊接工藝的其它優點。如前所述，信號波紋是由使用的玻璃增強PCB材料所產生（圖2）。在激光功率恒定時，靠近觀察單個環的溫度分布外形，可知：盡管焊縫呈對稱方形的形狀，但是在方形的不同側面，其焊接溫度各不相同。詳細檢查顯示，這是由于聚合物基體內部的玻璃纖維取向不同所造成。根據這些不同取向，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，此類材料只能在優化焊接溫度下進行焊接，激光功率需要在線調節；因此，絕對需要半導體激光系統結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優良的焊接效果。爆裂壓力試驗表明，使用優化焊接溫度可以實現更多的工藝參數組合和更高的爆裂壓力。

另外，高溫計的信號不僅有助于優化工藝，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，或送交質檢部做進一步檢查。

光束整形
除了與掃描器、高溫計一起應用之外，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所示設備中，使用均勻的線形激光源焊接微通道結構，類似于生物芯片應用。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。光纖耦合半導體激光系統提供此類均勻光束，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體激光模塊來實現。

白色材料與透明材料
白色聚合物與透明聚合物廣泛應用于醫療設備制造中，更傾向于用半導體激光系統進行焊接。這些顏色帶來的高視覺質量的縫隙觀感以及無微粒工藝優勢，使半導體激光器系統進行塑料焊接在醫療設備制造中的應用潛力價值很高。在醫療這一特殊領域，塑料焊接不推薦使用特殊添加劑，因國家審批程序繁瑣。使用半導體激光器系統進行塑料焊接，采用國家已經批準和使用的材料組合，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，并導致這種本質吸收。由于大量材料本身而不是表面發生這種作用，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（模克隆）設備的微觀狀況。采用1940 nm波長旋轉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。因此，要求關注兩種透明部件在其接觸面處的內部焊接。具有較短工作距離的極大孔徑光學設備已能取得優良的效果。在此設置中，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。

本文結論
鑒于已經提到的工藝優點，DILAS半導體激光系統及其直接快速調制特性，以及針對不同應用可提供全范圍波長（640 nm至2000 nm）的事實，說明半導體激光系統是塑料焊接應用中毫米級焊縫寬度的理想激光光源。半導體激光系統組合高溫計和振鏡掃描器，可以優化焊接的效果，符合醫療設備制造要求的高度質量控制與工藝存檔要求。#p#分頁標題#e#

圖4、激光焊接的Makrolon部件的截面圖
（采用1940nm波長）。

事實證明，在優化焊接溫度下，半導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，配在半導體激光系統中，可以補償表面吸收變化，如顏色變化。
二極管激光系統還具有光束整形和均勻化等優點，允許根據應用情況調節光束幾何形狀，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療設備制造中十分重要的材料。半導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。使用半導體激光器進行醫療設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科技大學研究物理學，榮獲稀土光譜學領域博士學位。在擔任一家日本激光二極管制造商的產品經理職務以及Coherent Semiconductor的歐洲銷售經理之后，于2004年加入Dilas Diodenlaser公司（網址：www.dilas-ils.com），現在負責DILAS全球市場與銷售，以及DILAS工業激光器系統部。
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論。