激光塑料焊接助力新冠ART试剂盒产业链发展

COVID-19新冠疫情肆虐全球已经步入到第3个年头，而随着高传染性的Omicron ( 奥密克戎病毒 ) 的来袭，及时找出有症状和无症状者并加以隔离是目前大多数国家抗疫的重要手段之一。其中，ART(Antigen Rapid Test) Kit - 抗原快速检测试剂盒 (各国命名略有不同， 比如RAT、RT等)为此立下了汗马功劳。这极大地缓解了医疗体系的压力，避免了不必要的医疗资源挤兑。而就在3月11日，中国国家卫健委消息，将对一些特定人群采用ART检测。

由图1的ART试剂盒可见其形状和操作方式类似于验孕棒。图2属于稍微高端一点的ART的盖板，用激光设备标识了序列号和QR码，以便用户了解详情及日后追踪。

ART试剂盒(图1)

较高端的ART试剂盒(图2)

由于ART上下件都是塑料材质，某些高端的ART采用了激光塑料焊接进行封装。时至今日，激光塑料焊早已不是件新鲜事，其原理、方式及材料可焊性在此就不多说了。

相较于一、二十年前刚开始推广激光塑料焊， 如今早已不用再苦口婆心地对客户解释焊材本身对成品的影响 ，现在大多数客户产品的染色添加剂都会适合IR波长的范围，并做到焊接面尽量平整均匀以减少对激光光束的干扰。那么，是不是选择一款波长适中、性价比最高的半导体激光器(diode laser)就可以轻松解决问题了呢? 答案当然是否定的。与激光打标类似，貌似简单成熟的激光塑料焊在激光源选型、整机设计和工艺优化上同样是一不小心就会踩雷。下面会对此加以详细讨论。

而激光塑料焊仅靠合适的光源、优化工艺和普通功能的夹具还是远远不够的。在此总结在工艺与系统设计时需要特别关注的细节：

焊接前的预热及焊接后的冷却：

类似金属材料，塑料件温度骤升骤降都不是件好事，因而预热和冷却的把控必不可少。此时不仅需要夹具与激光器开关的时间配合，还要考虑到激光器开关时能量上升沿和下降沿(ramp-up / ramp-down)对焊接的影响及焊材对温度改变的适应度，所以借鉴金属焊接的经验，我们特意对激光器本身加入了人为干预上升沿和下降沿的时间及能量控制功能。

焊接中激光能量分布的一致性：

对于复杂的图形，由于运动系统的局限性，使用相同的能量会产生局部过热甚至焦灼现象。连续波激光器不可能象脉冲激光金属焊那样利用控制系统将脉冲激光频率与实际运动速度实时自动同步(synchronize)，所以只能在参数与路径上动脑筋啦，焊接路径与速度要与激光能量对应优化。

奥莱光电2um同轴测温成像塑料激光焊接头利用同轴红外测温实时反馈控制，可以实时调整输出能量保持焊接一致性，最大程度保证焊接良率。利用系统同轴CCD摄像头与监视装置，对被焊接工件进行定位追踪，避免实时焊接过程中的焊点偏移。

2um 激光对于很多高分子材料吸收良好， 是用来做塑料焊接的最佳选择，同轴红外测温实时反馈到控制系统，用来实时控制激光器的参数，保证焊接点的温度点的恒定焊接，最大程度的保证焊接良率。

焊接中工件高度变化与焊接时间：

在整个焊接过程中，随着焊材的熔化，工件高度会逐步减小，是非常微小的动态变量。当工件高度降到一定数值时，说明焊材上下两层已经成功熔合在一起了，如果此时没有及时关闭激光器，工件会因为受热过度而不能通过后续一系列的检测;而过早地关闭激光器又会造成焊接不牢。因此控制系统不仅要依据产品评估经验值设置激光器的关闭时间，还需通过实时监测焊件高度变化 (Collapse Height)来适时地关闭激光器。

夹具对工件的夹紧度：

固定工件间隙太大会造成焊缝无法有效咬合，太紧则有可能损伤工件。两者也都会造成焊接品质不佳。而夹紧度在焊接过程中也是个动态变化参数，其控制的好坏对焊接质量和外观起着举足轻重的作用。由于夹紧度无法量化，因而我们转为实时监测气压夹具(cylinder clamping)的受力/压强状态或是电动夹具(servo clamping) 的受力/电机力矩数值。

夹具和工作台的设计：

在评估机器性价比时，机器产能(UPH)是买家缺一不可的考量，所以夹具的设计不仅要符合复杂的工件外型，留下光束通道，还得便于工件快上快下。同时得顾及是自动、半自动、还是手动上下料，以及根据工厂场地的限制而设计相应的工作台，比如旋转式，U-型等。

软件和视觉系统：

一些大厂需要产品状态/批次追踪等，因而接口软件需要一些定制化。某些精细焊接也需要视觉系统的定位甚至一定程度的表面粗检。

奥莱光电6轴联动恒温激光锡焊软件集视觉成像定位、温度控制、运动定位于一体，主要运用在恒温锡焊及塑料焊接工艺中，借助成像镜和CCD相机硬件实现视觉成像，借助红外测温仪实现温度控制，通过板卡借助运动平台实现平台和振镜的移动，同时借助激光焊接设备控制激光器出激光焊接。

本软件可控制加工工艺中的焊接参数、平台移动参数、系统参数等对物品进行加工，并实时显示焊接过程中的温度情况以及焊接效果。

综上所述，激光塑料焊是激光系统、运动系统、夹具及机械系统、软件及控制系统以及工艺相辅相成的综合平台，功能完善、控制精准、使用方便的激光塑料焊接机是日积月累的实战经验累积的成果。