Laser welding technology in the medical industry

塑料之间的连接是非常具有挑战性的。

特别是对于医疗行业，很难找到满足生物相容性要求和FDA批准的粘合剂。此外，许多常用的聚合物，例如PP，PE和PTFE，其表面能低，也导致难以用粘合剂粘接。

粘合剂通常被用作原型制造中的快速、临时的解决方案。然而在后续量产时，塑料焊接则是一种更为经济有效的方案，能够提供一致性好、高强度的焊接，且不需要额外的耗材。

塑料焊接的风险和挑战，往往是由于焊接工艺选择、焊缝设计和测试方法不当，以及零件变形和尺寸偏差造成的。通过采取一步一步的排除分析和改善措施，可以减少或者消除这些问题。

塑料焊接工艺的开发过程遵循以下步骤：

• 定义问题

• 选择工艺

• 接头设计

• 测试验证

一、定义问题

在选择焊接工艺时，前期明确产品材料和性能要求，对工艺选择至关重要。通过早期定义这些，您可以避免后续损失。

在决定焊缝位置或焊接工艺之前，应思考并回答以下问题。

1.强度

载荷方向是什么?将会经历什么样的拉伸或剪切力?

如果可能的话，设计的焊缝应使其工作时尽量承受剪切力，因为塑料焊接在剪切力方向承受的载荷最大。塑料焊接可承受的拉伸载荷次之，可承受的剥离力最弱。如图1所示。

2.密封

这个产品需要密封吗？如果需要，要承受压强是多少？是气密还是水密？有测试温度要求吗？

对于有密封要求的产品，通常是在要密封的腔室一周设计有闭合的焊接线，以及相应的沟槽或者狭小的缝隙空间，熔化的塑料填充满槽或者缝隙，以实现密封要求。产品的尺寸大小和形状不同，选择的塑料焊接工艺也会不同

3.外观

有什么外观要求吗？“A”面在哪里？允许溢料可见吗？

大多数焊接工艺都有可能产生外观缺陷。然而，这些问题可以通过改善治具和优化焊接参数、或者简化零件表面、或者隐藏焊接面的方式加以限制。如果无法避免，那么需要增加前一道工序（例如烘干）加以预防，或者增加后一道工序（例如去溢料）加以修正，不过这些措施会增加成本。

4.颗粒污染物

产品内是否允许有颗粒物或者松散的溢料？

对于依靠表面摩擦产生热量的焊接工艺，例如旋转焊接和振动摩擦焊接，很难避免不产生颗粒污染物，以及松散的溢料。

 5.材料

材料对焊接性能的影响因素，除了材料中的基础树脂特性，还包括各种添加剂，如着色剂、填充剂、冲击改性剂、润滑剂等。这些组成共同影响焊接工艺的选择。例如， 采用激光焊接工艺时，要求上层零件无着色剂，以允许激光穿透传输；下层零件要求添加碳黑，以充分吸收激光能量。

一般情况下，应尽量减少填料含量，以确保有足够的树脂进行焊接，从而保证焊接强度。因此，建议填料含量控制在33%以下。

另外，两个零件必须是材料相容的，即具有相同或相似的熔点和粘度，以保证分子间发生扩散完成焊接。

二、选择工艺

常见的塑料焊接工艺对比：

激光焊接要求在上下零件吸收少量的光能（2um焊接系统），或者在焊接处上层透射-下层吸收光能（1um焊接系统）。能量吸收效率，由所选择的波长，以及树脂与填料在该波长上的透射度决定。

（激光焊接示意）

超声波焊接通过因聚合物的粘弹特性而产生的机械振动能量损失，即产生热量来工作。产生超声波振动的模具叫做焊头。焊头与零件接触表面，必须平行于焊接筋，且距离较短（一般＜6mm）。此外，在焊接区域及附近，应避免尖角和薄的悬臂结构，防止损坏。

（超声波焊接示意）

（医疗行业常用塑料的可焊接性能）

热板和红外焊接，分别加热两个部件的焊接表面，然后将两个部件合在一起，施加压力以促进分子扩散。在热板焊接中，零件表面与加热工具直接接触，因此适合具有较高粘度的塑料焊接，以避免材料粘在热板上。在红外焊接中，零件表面应避免白色，并添加填料以增加能量吸收效率，减小生产节拍。

（热板焊接示意）

旋转和振动摩擦焊接通过表面摩擦产生热量以实现焊接。这些运动过程中，接头设计必须适应摩擦运动/振动方向，对于旋转摩擦来说，这意味着焊线设计必须是圆形。对于振动摩擦来说，接头设计必须有足够的侧向间隙，以容纳一定的振动幅度。另外，十分重要的一点，焊筋下方支撑壁必须有足够刚性，在载荷作用下不变形，以实现摩擦生热。

（旋转摩擦（左）和振动摩擦（右）示意）

高频焊接的工作原理是将高介电损耗的聚合物暴露电磁场中，磁场方向高频交替变化（通常27MHz)。应用于10-50mm厚度的薄材料焊接。可用该工艺的材料非常有限。其中，聚氯乙烯(PVC)是最容易的。

（高频焊接示意）

三、接头设计

在塑料焊接中，接头强度取决于聚合物链在熔体界面上的流动，并在接头处产生分子链纠缠的程度。为了实现这一点，一个合理的焊缝设计非常重要。它可以熔化和塌陷，产生熔体流动。此外，一个良好设计的焊缝，有助于提高加热速率，防止泄漏，隐藏溢料，并帮助上下零件对齐。常见的接头设计。

（常见超声波接头设计）

不同的焊接工艺，通过不同的方式产生热量，加热速率也不相同。好的接头设计实际上可以提高加热速率。例如，超声波焊接通过使用一个称为“三角导能筋”的接头来提高加热速率。旋转摩擦焊接，采用正压力更大的剪切焊缝设计，比采用斜搭焊缝设计的加热速率更快。

采用沟槽焊缝设计，有助于提高密封性能。这种类型的接头，熔体可以停留在沟槽内及侧壁间隙中，从而减少空隙，提高密封性能。然而，在某些情况下，空气可能被困在沟槽中，当被困的空气产生足够的压力在熔体中形成气孔时，会导致泄露。

焊接过程中，从接头处会挤出一定数量的熔料，可通过接头设计来控制。接头两侧增加挡边，隐藏溢料，甚至控制熔体流动方向，侧壁也有助于上下零件的对齐。

四、试验验证

焊接结果的好坏，必须要有正确的测试方法和治具来进行评估。如果遵循一些简单的指导方针，焊接强度和气密性很容易测试。

1.强度测试

施加载荷的方向对测试结果至关重要。施加载荷的位置和方向应该和实际工作时载荷保持一致。

确保接头在零件本体破坏前失效。如果测试时，本体材料发生破坏，那么测试无法给出焊接强度的数据，测试方案应该重新设计。

测试整个接头，而不是截取部分进行强度测试。局部测试可能是不准确的，因为其忽视了潜在的一些较高应力的区域。在初始裂纹产生后，其余位置焊缝会在拉力测试中失效。如果只进行局部测试，将忽略这一种失效方式，错误的高估焊接强度。

如果整个接头难以固定进行拉力试验，那么考虑使用爆破压力测试。

2.密封性能测试

定义的测试压力和可接受的泄漏率，是与最终的使用环境和要求相关。常用空气衰减泄露测试仪，分气检和水检。水密检测可以设定不同的水温。

在泄漏测试时不要将人为加大治具压紧力。较大的压紧力导致焊缝接头压缩，将产生人为的低泄漏率。

五、结论

对于医疗行业，焊接提供了比粘合剂更好的塑料连接解决方案。这个简单的指南有助于你初步选择焊接工艺。最后，如果有东西本该可以焊接，但是却不能。那么是否可以通过修改来改善？这时候，您需要咨询更专业的塑料焊接专家。我们很高兴帮助回答这一问题。