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激光焊接是組裝高性能III類植入式醫(yī)療設(shè)備的黃金標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)技術(shù)促進(jìn)了多項(xiàng)醫(yī)療創(chuàng)新的出現(xiàn)，從導(dǎo)絲組件這類被動(dòng)設(shè)備到包括心臟節(jié)律管理（CRM）設(shè)備和腦機(jī)接口（BCI）這樣復(fù)雜的主動(dòng)性產(chǎn)品。

醫(yī)療設(shè)備制造商必須確信：設(shè)備組件在部署到患者體內(nèi)之后，還能保持其完整性。激光焊接通過提供一種非接觸式、無顆粒的連接方法，快速形成高強(qiáng)度的連接，并保持卓越的精確度和可控性，解決了這一關(guān)鍵需求。圖一展示了使用激光焊接制造的幾種常見的醫(yī)療設(shè)備。

圖1：需要激光處理以確保堅(jiān)固、高質(zhì)量接頭的醫(yī)療設(shè)備示例（左）和突出顯示關(guān)鍵接頭的可植入設(shè)備示例（右）

為什么要用激光焊接？

激光焊接相較于其他材料連接技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的焊接或連接方法（如金屬惰性氣體、鎢惰性氣體等）往往會(huì)產(chǎn)生大量顆粒，而且往往需要二次加工或清潔。而相對(duì)的，激光焊接在過程中就很清潔。此外，在進(jìn)行適當(dāng)控制與優(yōu)化時(shí)，激光焊接還可以快速產(chǎn)生高強(qiáng)度的焊接接頭。當(dāng)通過自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行激光焊接時(shí)，這樣的接頭具有高度的可復(fù)制性，精度和視覺吸引力也很高。自動(dòng)化激光焊接過程還能嚴(yán)格控制接頭的熱影響區(qū)（HAZ），如圖2所示。最后，激光焊接為連接不同的材料提供了新的機(jī)會(huì)，也為設(shè)備制造商開辟了新的可能性。

圖2：激光焊接的熱影響區(qū)與其他材料連接方式熱影響區(qū)的對(duì)比示意圖

激光焊接的工作原理

有效的激光焊接是通過控制激光能量沿給定路徑或輪廓傳遞來實(shí)現(xiàn)的。通過小孔管理的激光焊接是一種精細(xì)的焊接技術(shù)，使用高能激光光斑來創(chuàng)建深而窄的焊縫。在這個(gè)過程中，激光的強(qiáng)烈能量迅速熔化材料，形成一個(gè)深而窄的孔洞，稱為小孔（keyhole）。這個(gè)小孔周圍是熔化的材料形成的熔池，通過激光能量輸入與熱散失的微妙平衡得以維持。當(dāng)激光束沿著接頭移動(dòng)時(shí)，由于小孔前方的材料持續(xù)熔化，熔融材料充填著孔穴移開后留下的空隙并隨之冷凝，最終固化形成強(qiáng)韌的焊縫（或接頭）。

與其他焊接方法相比，小孔焊接法允許焊接時(shí)穿透度更深，焊接強(qiáng)度也更高。這使得它在連接較厚的材料，或者需要深焊接的場(chǎng)合中特別有效。然而，精確控制功率密度和焊接參數(shù)對(duì)于防止氣孔或過度飛濺等缺陷，確保焊接的高質(zhì)量及耐用性來說至關(guān)重要。圖三展示了這一差異。

圖3：展示了進(jìn)行激光焊接時(shí)孔穴的側(cè)視圖（上）和俯視圖（下）

充分發(fā)揮激光焊接的潛力還依賴于通過對(duì)激光零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)，精確控制這個(gè)過程。將激光應(yīng)用在材料上時(shí)，所選的熱能位置和數(shù)量對(duì)形成高強(qiáng)度的連接是至關(guān)重要的，這有助于確保接頭的一致性、可復(fù)制性和最小熱影響區(qū)。通過將先進(jìn)的控制器功能（如空間域激光脈沖控制）與卓越的電機(jī)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)備制造商可以在其組裝過程中，實(shí)現(xiàn)前所未有的部件可重復(fù)性。這些控制功能提升了焊接過程，并為日益復(fù)雜和微型化的植入式設(shè)備鋪平了道路——最終實(shí)現(xiàn)更好的療效，與更多的治療選擇。

高質(zhì)量的激光焊接接頭是如何形成的？

典型的激光焊接工作站會(huì)用到激光源和激光掃描頭。激光源通常是根據(jù)所期望的激光與材料的相互作用來選擇的。例如，像銅或鋁這樣反射性強(qiáng)的材料就需要特別考量。此外，很薄或很厚的材料會(huì)有不同的應(yīng)用要求。激光源的供應(yīng)商能夠協(xié)助確保激光器是特定應(yīng)用的最佳選擇。因?yàn)楣?yīng)商可以將焊接目標(biāo)的屬性列入考量，包括穿透深度、焊縫寬度、熱影響區(qū)、大小與焊接速度要求。一旦激光源選擇完畢，就可以選擇激光掃描頭了。

圖4：高性能激光掃描頭的圖像（左）及其內(nèi)部組件和激光束路徑的爆炸圖（右）

激光掃描頭通常由至少2個(gè)高動(dòng)態(tài)的電機(jī)（通常也稱電流計(jì)），搭配反射率優(yōu)化后可以反射激光源的反射鏡組成。這些電機(jī)還使用了高分辨率的數(shù)字編碼器，能通過伺服控制回路來控制其角度偏移。反射鏡通過F-Theta透鏡引導(dǎo)激光束，使透鏡的角度位置與激光束在鏡頭視野內(nèi)的位移線性化，如圖四所示。在激光焊接中，激光掃描頭有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

最佳的光束控制與定位。能夠快速準(zhǔn)確地引導(dǎo)激光束，即使在復(fù)雜的零件上也能實(shí)現(xiàn)一致、可重復(fù)的焊接效果。即使在高速條件下，激光掃描頭也能執(zhí)行復(fù)雜的焊接路徑或幾何形狀。

焊接小孔管理。如圖五所示的振動(dòng)模式常用于控制焊接小孔的寬度和深度。脈沖和功率的調(diào)整也可以管理熱量的輸入。

過程監(jiān)控。通過軸外相機(jī)或軸穿透視覺，也可以精確定位激光點(diǎn)，并實(shí)時(shí)管理焊接過程。

圖5：生成焊接路徑時(shí)使用的振鏡模式示例。

大型焊接如何實(shí)現(xiàn)？

激光掃描頭的一個(gè)常見缺陷是視野問題。為了在零件上定位激光點(diǎn)時(shí)保持精度，掃描頭的視野范圍通常被限制在沿工作表面x和y維度的數(shù)十毫米內(nèi)。從歷史來看，這限制了可焊接部件的尺寸。然而，最近的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)展使得激光點(diǎn)在近乎無限的視野范圍內(nèi)無縫控制成為可能。

圖6：Aerotech的自動(dòng)控制器同時(shí)控制著激光掃描頭和伺服工作臺(tái)來執(zhí)行高性能的激光焊接

激光掃描頭和高精度伺服工作臺(tái)的耦合控制，可以無需再移動(dòng)部件到激光掃描頭視野之外的區(qū)域。如圖六所示，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制器允許激光掃描頭和伺服工作臺(tái)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，從而在非常大的部件表面上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。

總結(jié)

激光焊接對(duì)于制造可靠、高性能的植入式醫(yī)療設(shè)備至關(guān)重要，可以提高患者的安全性和設(shè)備的使用壽命。激光焊接所提供的精確控制和可重復(fù)性，特別是通過小孔管理，確保了接頭的堅(jiān)固清潔，并將熱影響區(qū)域降到最小?？刂萍す鈷呙桀^和伺服工作臺(tái)的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制器，同樣必不可少。這些部件可以實(shí)現(xiàn)精確的光束控制、焊接孔穴管理，以及在較大部件上創(chuàng)建焊接的可能性。這種水平的控制和精度將在植入式醫(yī)療設(shè)備的持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。激光焊接將使得更加復(fù)雜和微型化的設(shè)備成為可能，并最終擴(kuò)大治療的選擇，改善患者的療效。

原文來源：Medical Design Briefs