文/Josh Brown

激光塑料焊接對大多數(shù)醫(yī)療設備而言，是比較理想的粘合方案。激光塑料焊接快速、清潔、精確，但是有限的可焊接的塑料顏色組合，為醫(yī)療設備的工程和制造帶來了挑戰(zhàn)。本文將進一步探索激光和材料技術新的可能性，拓寬可焊接塑料的顏色組合，包括白色和透明塑料的焊接，因為這兩種顏色塑料的焊接，應用范圍廣，但焊接難度大。

激光塑料焊接中的透射和吸收特性

在介紹焊接不同顏色的塑料采用的方法和面臨的具體挑戰(zhàn)之前，有必要先了解激光塑料焊接的工作原理。本文將介紹激光塑料焊接的兩種主要形式：1μm或激光透射焊接，以及2μm或透明塑料激光焊接。

1μm和2μm指的是所用激光的波長，以及不同波長如何與塑料相互作用并加熱塑料來實現(xiàn)粘合。圖1中展示了這兩種焊接方式的工作原理。

圖1：1μm和2μm激光焊接塑料工藝原理對比圖。

1μm焊接原理

在1μm或激光透射焊接中，需要上層塑料能夠透過激光，而下層塑料能夠吸收激光能量。激光穿透上層（透射層），然后被下層（吸收層）吸收。因為上下層之間緊密接觸，下層吸收的熱量可以傳遞到上層。

對于上部的透光層，大多數(shù)熱塑性塑料在自然狀態(tài)下對800~1064nm的激光波長是完全或部分透光的；而對于下部的吸收層，一般通過在塑料中添加碳黑來實現(xiàn)高吸收性能。碳黑是一種有機化合物，很容易吸收激光能量，但是在塑料中添加碳黑會使塑料呈現(xiàn)黑色，這往往不是醫(yī)療公司所希望的。

2μm焊接原理

2μm焊接或透明塑料激光焊接，其目標是在沒有吸收添加劑或吸收層的條件下，實現(xiàn)兩塊透明塑料的焊接。

對于透明塑料間的激光焊接，透明塑料需要吸收激光能量，以達到融化溫度。由于沒有像碳黑這樣的吸收添加劑來吸收激光能量，所以就要使用能量可以被透明塑料部分吸收的更長波長的激光來焊接。

能量能被透明塑料部分吸收的激光波長范圍，通常被稱為“適居帶”（Goldilocks Zone）。處于這個波段的激光，大約只有20%-30%的激光能量可以被塑料吸收，而其余70%-80%的激光能量，則直接透過塑料層消耗掉（見圖2）。

圖2：不同激光波長在熱塑性塑料中的透射光譜圖。

Transmission spectra of COC,PC,PMMA and clear ABS——COC、PC、PMMA和透明ABS的透射光譜 

Transmission ——透射率

wavelength：波長

1μm激光塑料焊接對應的顏色組合

對于1μm激光透射焊接，自然色或透明的塑料與黑色塑料的組合，是最容易焊接的。此外，1μm激光也能焊接多種顏色組合。圖3給出了不同顏色組合的塑料焊接的難易程度。下面我們將探討不同顏色的塑料組合導致激光焊接難度不同的原因及解決方法。

圖3：不同顏色組合的激光塑料焊接難度圖。

Color combinations and difficulty（1μm）——1μm激光塑料焊接的顏色組合和與焊接難度

Easier——容易

Degree of difficulty——難度情況

Harder——困難

自然色與黑色組合

對于1μm激光透射焊接，最簡單的是自然色與黑色組合。自然色的塑料位于上層，呈光學透明狀態(tài)，其對激光的透過率很高，而下層的黑色塑料由于摻入了炭黑，因此吸光率很高。因此，這兩種顏色的塑料焊接具有加工周期快、成本低、加工窗口寬等優(yōu)勢。

黑色與黑色組合

令人意外的是，黑色-黑色組合的塑料，實際上非常容易焊接（見圖4）。在這種顏色組合中，下層塑料摻雜了碳黑，提高其吸收率，并使其顏色呈黑色。而上層塑料摻雜了一種非常深的紅色或綠色染料。彩色染料非常暗，看起來呈黑色，但仍然允許部分激光透射到下層。

圖4：可見光相機（左）和紅外相機（右）拍攝的黑色-黑色組合的塑料焊接效果圖，其中上層黑色塑料透射部分激光，下層塑料吸收激光能量。

彩色與黑色組合

由圖3不同顏色組合的塑料焊接難度圖可知，比自然色-黑色、黑色-黑色組合更難焊接的，是彩色與黑色的組合（見圖5）。

圖5：激光焊接的不同顏色組合的塑料樣品圖。

上層塑料的彩色是用無機染料摻入在塑料里實現(xiàn)的，染料本身不吸收激光能量，因此能讓激光穿透上層直達下層黑色塑料。許多塑料染料都能實現(xiàn)各種顏色，但是生產彩色塑料的廠商一般還是需要與專家合作，以達到完美的顏色呈現(xiàn)。

不同彩色塑料的組合

如前面兩個例子所述，用彩色塑料作為可透光的上層非常簡單，只要將彩色染料摻雜到塑料里就可以，因為彩色染料依然允許激光穿透。而不同彩色塑料的焊接難點在于，下層彩色塑料不能再摻入吸收性能良好的炭黑，否則下層彩色塑料就會變成黑色。

為了使下層塑料有顏色且吸收性能較好，必須使用特殊的激光吸收添加劑。這些特殊的吸收添加劑雖然吸收率不如碳黑，吸收損耗大，會延長加工周期，并且會使塑料呈現(xiàn)輕微的綠色或灰色，但是能保證吸收部分激光能量，確保彩色塑料能夠成功焊接到一起。

同種彩色組合

相同顏色的彩色塑料間的焊接，其難點在于要在下層塑料里摻入吸收添加劑，這會使塑料呈現(xiàn)輕微的綠色或灰色色調。考慮到摻入吸收添加劑引起的顏色差異，因此要使上下層塑料顏色保持完全一樣，就變得非常困難（見圖6）。

圖6：相同顏色的彩色塑料激光焊接樣品圖。

值得注意的是，雖然許多激光吸收添加劑具有生物相容性，但是一些醫(yī)療設備對生物相容性要求較高，或者需要特殊的熒光特性，因此仍然需要對這些醫(yī)療設備進行額外的審查。

自然色與白色組合

自然色與白色塑料的焊接，上層自然色的塑料因為有較高的激光透過率，因此不用擔心。難點來于下層的白色塑料。

要使塑料呈現(xiàn)白色，需要摻入二氧化鈦（TiO2），而TiO2會反射激光，導致白色塑料很難吸收激光能量。因此，需要在下層的白色塑料中添加特殊的激光吸收添加劑，以克服TiO2的反射性能。

摻入吸收添加劑后，塑料雖然整體呈現(xiàn)白色，但是仍然對顏色有影響。要想使白色更明顯，那就需要多摻TiO2，少摻吸收添加劑，這就會提高白色塑料的反射率，使激光加工窗口變窄。純白色塑料固然非常好，但是其在設計時面臨多重限制，比如要保證白色塑料能夠吸收激光能量，由于其吸收激光能量較弱，也會延長加工周期。

白色與白色組合

激光塑料焊接最難實現(xiàn)的顏色組合是白色與白色。在這種情況下，要同時計算上下兩層白色塑料中TiO2的反射率，因為上層塑料中的TiO2會反射部分激光能量，降低透射率。

為了使上層塑料保持一定的透射率，添加的TiO2的量必須足夠小。這就很難使上下層顏色保持一致。一般而言，要想實現(xiàn)白色與白色塑料的焊接，上層塑料越薄越好，厚度最好在幾毫米以下（見圖7）。

圖7：白色塑料激光焊接樣品圖。

透明或彩色與灰色組合

透明或彩色塑料與灰色塑料的焊接雖然沒有在圖3中展示，但是這種組合卻非常值得一提，其焊接難度處于中等水平。

在塑料中摻入碳黑（黑色）和TiO2（白色），二者達到平衡產生灰色。碳黑含量越高，TiO2含量越低，灰色就越深，吸收率就越高，有利于焊接。碳黑含量越低，TiO2含量越高，灰色就越淺，吸收率就越低，激光焊接窗口就越窄。

2μm激光實現(xiàn)透明塑料間的焊接

大多數(shù)情況下，實現(xiàn)透明塑料焊接的最佳方法，是用2μm激光焊接（見圖8）。由于不需要摻入添加劑，這就為醫(yī)療設備公司解決了諸多難題，包括材料的生物相容性、熒光特性、光學外觀以及美學性質等。此外，因為沒有添加劑摻入，塑料價格也會更便宜，因為上下兩層塑料可以完全相同，可以使用集成塑模方法實現(xiàn)生產。 

圖8：2μm激光焊接兩層透明聚碳酸酯的截面圖。

然而，值得注意的是，2μm激光塑料焊接要考慮一些特殊的設計，因此與1μm焊接工藝有很大的差異。以下是2μm激光塑料焊接的具體要求：

•上層厚度不應超過3.5mm（取決于塑料類型）；

•下層塑料只要求有一定的透射率，不要求完全透明，可以是有色或半透明；

•不建議用玻璃填充上層塑料；

•由于在大多數(shù)情況下，透明塑料中需要加入一部分玻璃成分，因此對焊接的夾具有一定要求。雖然說玻璃并非完全不能加工，但是要使摻入玻璃的塑料實現(xiàn)彎曲功能，其難度還是非常大。

1μm激光實現(xiàn)透明塑料間的焊接

當然，1μm激光也可以焊接透明塑料。只不過需要在塑料中摻入吸收添加劑，或在接合界面上使用吸收添加劑的液體溶液（類如添加劑的酒精溶液）來實現(xiàn)。具體方法如下：

•在塑料中摻入吸收添加劑（見圖9），這是實現(xiàn)1μm激光焊接透明塑料的最有效方法。摻入吸收添加劑，塑料會更容易和持續(xù)地吸收激光能量，但這也增加了成本，因為吸收添加劑需要摻入整塊塑料中，而不僅僅是摻在塑料的接合界面處。此外，這些添加劑雖然是半透明的，但并不完全透明，會給塑料添加綠色或灰色色調。

•在兩塊塑料的接合界面上加入吸收添加劑，這是保持1μm激光焊接光學透明度的唯一方法。吸收添加劑置于接合界面的下層表面。雖然液體溶液呈現(xiàn)綠色或灰色，但在激光焊接時會完全耗盡，如果工藝得當，焊縫會非常清晰。

圖9：摻有不同濃度吸收添加劑（視覺透明）的塑料樣品圖。

然而，在兩塊塑料的接合界面上加入吸收添加劑，也存在一些難以克服的缺點，包括：（1）吸收添加劑溶液必須均勻地鋪展在兩塊塑料的接合界面上，需要用到移印工藝或水霧噴嘴，增加了制造過程的復雜性。（2）吸收添加劑溶液通常在單次激光輻照后就耗盡了，這意味著只能進行一次激光照射，焊接只能在不需要塌陷的搭接處進行。

總結

自20世紀70年代激光塑料焊接技術問世以來，各種顏色組合的塑料焊接已經發(fā)展了很長時間。由于材料科學和激光技術的進步，醫(yī)療設備公司充分利用了激光塑料焊接的優(yōu)勢，他們的焊接選擇也不再僅僅局限于自然色-黑色塑料的焊接。

雖然某些顏色組合可能會增加焊接難度，但現(xiàn)在幾乎每種顏色組合都已成功實現(xiàn)了焊接，并將規(guī)劃投入量產。不同顏色組合的塑料焊接方法，有者細微差別和其局限性，所以建議醫(yī)療器械公司應咨詢專家，獲取激光塑料焊接關于材料和顏色的設計建議。