激光塑料焊接助力新冠ART試劑盒產業鏈發展

COVID-19新冠疫情肆虐全球已經步入到第3個年頭，而隨著高傳染性的Omicron ( 奧密克戎病毒 ) 的來襲，及時找出有癥狀和無癥狀者并加以隔離是目前大多數國家抗疫的重要手段之一。其中，ART(Antigen Rapid Test) Kit - 抗原快速檢測試劑盒 (各國命名略有不同， 比如RAT、RT等)為此立下了汗馬功勞。這極大地緩解了醫療體系的壓力，避免了不必要的醫療資源擠兌。而就在3月11日，中國國家衛健委消息，將對一些特定人群采用ART檢測。

由圖1的ART試劑盒可見其形狀和操作方式類似于驗孕棒。圖2屬于稍微高端一點的ART的蓋板，用激光設備標識了序列號和QR碼，以便用戶了解詳情及日后追蹤。

ART試劑盒(圖1)

較高端的ART試劑盒(圖2)

由于ART上下件都是塑料材質，某些高端的ART采用了激光塑料焊接進行封裝。時至今日，激光塑料焊早已不是件新鮮事，其原理、方式及材料可焊性在此就不多說了。

相較于一、二十年前剛開始推廣激光塑料焊， 如今早已不用再苦口婆心地對客戶解釋焊材本身對成品的影響 ，現在大多數客戶產品的染色添加劑都會適合IR波長的范圍，并做到焊接面盡量平整均勻以減少對激光光束的干擾。那么，是不是選擇一款波長適中、性價比最高的半導體激光器(diode laser)就可以輕松解決問題了呢? 答案當然是否定的。與激光打標類似，貌似簡單成熟的激光塑料焊在激光源選型、整機設計和工藝優化上同樣是一不小心就會踩雷。下面會對此加以詳細討論。

而激光塑料焊僅靠合適的光源、優化工藝和普通功能的夾具還是遠遠不夠的。在此總結在工藝與系統設計時需要特別關注的細節：

焊接前的預熱及焊接后的冷卻：

類似金屬材料，塑料件溫度驟升驟降都不是件好事，因而預熱和冷卻的把控必不可少。此時不僅需要夾具與激光器開關的時間配合，還要考慮到激光器開關時能量上升沿和下降沿(ramp-up / ramp-down)對焊接的影響及焊材對溫度改變的適應度，所以借鑒金屬焊接的經驗，我們特意對激光器本身加入了人為干預上升沿和下降沿的時間及能量控制功能。

焊接中激光能量分布的一致性：

對于復雜的圖形，由于運動系統的局限性，使用相同的能量會產生局部過熱甚至焦灼現象。連續波激光器不可能象脈沖激光金屬焊那樣利用控制系統將脈沖激光頻率與實際運動速度實時自動同步(synchronize)，所以只能在參數與路徑上動腦筋啦，焊接路徑與速度要與激光能量對應優化。

奧萊光電2um同軸測溫成像塑料激光焊接頭利用同軸紅外測溫實時反饋控制，可以實時調整輸出能量保持焊接一致性，最大程度保證焊接良率。利用系統同軸CCD攝像頭與監視裝置，對被焊接工件進行定位追蹤，避免實時焊接過程中的焊點偏移。

2um 激光對于很多高分子材料吸收良好， 是用來做塑料焊接的最佳選擇，同軸紅外測溫實時反饋到控制系統，用來實時控制激光器的參數，保證焊接點的溫度點的恒定焊接，最大程度的保證焊接良率。

焊接中工件高度變化與焊接時間：

在整個焊接過程中，隨著焊材的熔化，工件高度會逐步減小，是非常微小的動態變量。當工件高度降到一定數值時，說明焊材上下兩層已經成功熔合在一起了，如果此時沒有及時關閉激光器，工件會因為受熱過度而不能通過后續一系列的檢測;而過早地關閉激光器又會造成焊接不牢。因此控制系統不僅要依據產品評估經驗值設置激光器的關閉時間，還需通過實時監測焊件高度變化 (Collapse Height)來適時地關閉激光器。

夾具對工件的夾緊度：

固定工件間隙太大會造成焊縫無法有效咬合，太緊則有可能損傷工件。兩者也都會造成焊接品質不佳。而夾緊度在焊接過程中也是個動態變化參數，其控制的好壞對焊接質量和外觀起著舉足輕重的作用。由于夾緊度無法量化，因而我們轉為實時監測氣壓夾具(cylinder clamping)的受力/壓強狀態或是電動夾具(servo clamping) 的受力/電機力矩數值。

夾具和工作臺的設計：

在評估機器性價比時，機器產能(UPH)是買家缺一不可的考量，所以夾具的設計不僅要符合復雜的工件外型，留下光束通道，還得便于工件快上快下。同時得顧及是自動、半自動、還是手動上下料，以及根據工廠場地的限制而設計相應的工作臺，比如旋轉式，U-型等。

軟件和視覺系統：

一些大廠需要產品狀態/批次追蹤等，因而接口軟件需要一些定制化。某些精細焊接也需要視覺系統的定位甚至一定程度的表面粗檢。

奧萊光電6軸聯動恒溫激光錫焊軟件集視覺成像定位、溫度控制、運動定位于一體，主要運用在恒溫錫焊及塑料焊接工藝中，借助成像鏡和CCD相機硬件實現視覺成像，借助紅外測溫儀實現溫度控制，通過板卡借助運動平臺實現平臺和振鏡的移動，同時借助激光焊接設備控制激光器出激光焊接。

本軟件可控制加工工藝中的焊接參數、平臺移動參數、系統參數等對物品進行加工，并實時顯示焊接過程中的溫度情況以及焊接效果。

綜上所述，激光塑料焊是激光系統、運動系統、夾具及機械系統、軟件及控制系統以及工藝相輔相成的綜合平臺，功能完善、控制精準、使用方便的激光塑料焊接機是日積月累的實戰經驗累積的成果。