激光塑料焊接助力新冠ART試劑盒產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

COVID-19新冠疫情肆虐全球已經(jīng)步入到第3個(gè)年頭，而隨著高傳染性的Omicron ( 奧密克戎病毒 ) 的來襲，及時(shí)找出有癥狀和無癥狀者并加以隔離是目前大多數(shù)國家抗疫的重要手段之一。其中，ART(Antigen Rapid Test) Kit - 抗原快速檢測(cè)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(yī)療體系的壓力，避免了不必要的醫(yī)療資源擠兌。而就在3月11日，中國國家衛(wèi)健委消息，將對(duì)一些特定人群采用ART檢測(cè)。

由圖1的ART試劑盒可見其形狀和操作方式類似于驗(yàn)孕棒。圖2屬于稍微高端一點(diǎn)的ART的蓋板，用激光設(shè)備標(biāo)識(shí)了序列號(hào)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(zhì)，某些高端的ART采用了激光塑料焊接進(jìn)行封裝。時(shí)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(duì)客戶解釋焊材本身對(duì)成品的影響 ，現(xiàn)在大多數(shù)客戶產(chǎn)品的染色添加劑都會(huì)適合IR波長(zhǎng)的范圍，并做到焊接面盡量平整均勻以減少對(duì)激光光束的干擾。那么，是不是選擇一款波長(zhǎng)適中、性價(jià)比最高的半導(dǎo)體激光器(diode laser)就可以輕松解決問題了呢? 答案當(dāng)然是否定的。與激光打標(biāo)類似，貌似簡(jiǎn)單成熟的激光塑料焊在激光源選型、整機(jī)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化上同樣是一不小心就會(huì)踩雷。下面會(huì)對(duì)此加以詳細(xì)討論。

而激光塑料焊僅靠合適的光源、優(yōu)化工藝和普通功能的夾具還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在此總結(jié)在工藝與系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注的細(xì)節(jié)：

焊接前的預(yù)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(yù)熱和冷卻的把控必不可少。此時(shí)不僅需要夾具與激光器開關(guān)的時(shí)間配合，還要考慮到激光器開關(guān)時(shí)能量上升沿和下降沿(ramp-up / ramp-down)對(duì)焊接的影響及焊材對(duì)溫度改變的適應(yīng)度，所以借鑒金屬焊接的經(jīng)驗(yàn)，我們特意對(duì)激光器本身加入了人為干預(yù)上升沿和下降沿的時(shí)間及能量控制功能。

焊接中激光能量分布的一致性：

對(duì)于復(fù)雜的圖形，由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的局限性，使用相同的能量會(huì)產(chǎn)生局部過熱甚至焦灼現(xiàn)象。連續(xù)波激光器不可能象脈沖激光金屬焊那樣利用控制系統(tǒng)將脈沖激光頻率與實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度實(shí)時(shí)自動(dòng)同步(synchronize)，所以只能在參數(shù)與路徑上動(dòng)腦筋啦，焊接路徑與速度要與激光能量對(duì)應(yīng)優(yōu)化。

奧萊光電2um同軸測(cè)溫成像塑料激光焊接頭利用同軸紅外測(cè)溫實(shí)時(shí)反饋控制，可以實(shí)時(shí)調(diào)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(tǒng)同軸CCD攝像頭與監(jiān)視裝置，對(duì)被焊接工件進(jìn)行定位追蹤，避免實(shí)時(shí)焊接過程中的焊點(diǎn)偏移。

2um 激光對(duì)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(cè)溫實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，用來實(shí)時(shí)控制激光器的參數(shù)，保證焊接點(diǎn)的溫度點(diǎn)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(shí)間：

在整個(gè)焊接過程中，隨著焊材的熔化，工件高度會(huì)逐步減小，是非常微小的動(dòng)態(tài)變量。當(dāng)工件高度降到一定數(shù)值時(shí)，說明焊材上下兩層已經(jīng)成功熔合在一起了，如果此時(shí)沒有及時(shí)關(guān)閉激光器，工件會(huì)因?yàn)槭軣徇^度而不能通過后續(xù)一系列的檢測(cè);而過早地關(guān)閉激光器又會(huì)造成焊接不牢。因此控制系統(tǒng)不僅要依據(jù)產(chǎn)品評(píng)估經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置激光器的關(guān)閉時(shí)間，還需通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊件高度變化 (Collapse Height)來適時(shí)地關(guān)閉激光器。

夾具對(duì)工件的夾緊度：

固定工件間隙太大會(huì)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(huì)造成焊接品質(zhì)不佳。而夾緊度在焊接過程中也是個(gè)動(dòng)態(tài)變化參數(shù)，其控制的好壞對(duì)焊接質(zhì)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(zhuǎn)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣壓夾具(cylinder clamping)的受力/壓強(qiáng)狀態(tài)或是電動(dòng)夾具(servo clamping) 的受力/電機(jī)力矩?cái)?shù)值。

夾具和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)：

在評(píng)估機(jī)器性價(jià)比時(shí)，機(jī)器產(chǎn)能(UPH)是買家缺一不可的考量，所以夾具的設(shè)計(jì)不僅要符合復(fù)雜的工件外型，留下光束通道，還得便于工件快上快下。同時(shí)得顧及是自動(dòng)、半自動(dòng)、還是手動(dòng)上下料，以及根據(jù)工廠場(chǎng)地的限制而設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作臺(tái)，比如旋轉(zhuǎn)式，U-型等。

軟件和視覺系統(tǒng)：

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

奧萊光電6軸聯(lián)動(dòng)恒溫激光錫焊軟件集視覺成像定位、溫度控制、運(yùn)動(dòng)定位于一體，主要運(yùn)用在恒溫錫焊及塑料焊接工藝中，借助成像鏡和CCD相機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)視覺成像，借助紅外測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)溫度控制，通過板卡借助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和振鏡的移動(dòng)，同時(shí)借助激光焊接設(shè)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(shù)、平臺(tái)移動(dòng)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等對(duì)物品進(jìn)行加工，并實(shí)時(shí)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(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、夾具及機(jī)械系統(tǒng)、軟件及控制系統(tǒng)以及工藝相輔相成的綜合平臺(tái)，功能完善、控制精準(zhǔn)、使用方便的激光塑料焊接機(jī)是日積月累的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)累積的成果。