核酸檢測試劑盒塑料激光焊接結(jié)構(gòu)及工藝研究

劉可欣，高 行，張旭光，支營營

（鄭州安圖生物工程股份有限公司，鄭州 450000）

最近幾年來，國內(nèi)外有許多專家學者對熱塑性半結(jié)晶塑料激光焊接工藝上的應用進行了較為深入的研究。在塑料激光焊接工藝參數(shù)方面，Haberstroh等[1]研究了塑料部件激光焊接所需的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)；在工藝參數(shù)中，激光光斑的功率密度對激光焊接模式和焊縫成形的影響最為顯著[2]。杜邦公司、TINOCA公司認為在熱塑性塑料中，通過添加適量的激光吸收劑（如碳黑），可大幅度提高塑料材料對近紅外激光的吸收率[3]；在現(xiàn)階段，能夠使用激光焊接的單種成分的塑料包括聚丙烯（PP）、低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物（ABS）、聚氯乙烯（PVC）和尼龍（Nylon）等[4]。

聚丙烯（PP）材質(zhì)化學相容性好、強度高適合作為核酸檢測試劑盒使用。而PP材料本身不吸光，無法直接焊接，需要添加一定激光吸收劑來輔助焊接，且PP材料為半結(jié)晶塑料，融化溫度不易控制。所以需設計合理材質(zhì)、添加劑和參數(shù)來進行激光焊接。

在醫(yī)療器械領(lǐng)域塑料連接方式中，激光焊接有著很大優(yōu)勢。焊縫清潔，無顆粒物污染。采用紅外激光束而非摩擦加熱方式，因此焊接過程不產(chǎn)生顆粒物。同時可以精準地控制加熱區(qū)的位置和大小，因此溢料控制更靈活簡單。能量的高度集中意味著塑料的加熱速度非常快，熱影響區(qū)域控制精準。因此，非常適合醫(yī)療器械產(chǎn)品使用，不影響試劑性能且焊縫密封性好，較為美觀。

本工件采用準同步焊接的形式進行焊接，焊接方式分為以下幾種。

輪廓周線焊接：激光焊接頭發(fā)出激光束，沿待焊接工件吸光層的焊縫移動，使透光層與吸光層逐漸熔化，上下工件逐漸熔接在一起，完成焊接。或?qū)τ趫A柱套狀等產(chǎn)品，激光沿被夾層固定激光束移動，以達到焊接的目的。

準同步焊接：準同步焊接方式是根據(jù)待焊接工件的焊縫形狀調(diào)整激光束形狀，使一束激光沿焊縫快速移動，然后均勻地加熱焊接區(qū)域，并在焊縫處產(chǎn)生熱量，待塑料熔融、凝固后便粘結(jié)在一起，完成焊接。其焊接軌跡是通過電腦端對焊接文件矢量模板進行處理，激光束沿焊接文件矢量模板所示的圖形軌跡即產(chǎn)品的焊筋高速移動來實現(xiàn)焊接。

掩模焊接：該焊接方式多用于醫(yī)療產(chǎn)品微流控制等微流道結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。掩膜焊接時，在激光焊接頭和工件間插入一層掩膜，一列線狀的激光束投射到待焊接區(qū)域，然后使激光束和待焊接工件作相對運動，由于掩膜的遮光作用，激光束只作用于工件上沒有被掩膜遮住的區(qū)域，使焊接區(qū)域被加熱熔化并粘結(jié)在一起，從而完成焊接。掩模可以類比為具有水印的遮陽板，有水印的地方光不能透過，而掩模板上鍍有反射激光的物質(zhì)，激光反射不能透過產(chǎn)品上不需要焊接的地方，沒有反射的物質(zhì)的部分用激光實現(xiàn)焊接。

同步焊接：同步焊接的方式接近超聲波焊接，但同步激光焊接是焊接頭不直接接觸產(chǎn)品的非接觸加工。同步焊接通過激光焊接光束同時發(fā)射激光，根據(jù)焊縫的幾何形狀調(diào)整激光束形狀，使一束或多束激光同時投射到整個焊接區(qū)域，然后均勻地加熱焊接區(qū)域，并在焊縫處產(chǎn)生熱量，使整個輪廓線同時熔化完成粘接。

激光焊接結(jié)構(gòu)一般設計為平對平結(jié)構(gòu)、矩形T筋結(jié)構(gòu)及帶凹槽的矩形T筋結(jié)構(gòu)，采用上層透明塑料透射+下層非透明塑料吸收激光原理進行焊接。激光焊接方式通常為單軌跡準同步焊接和同步焊接，利用光源產(chǎn)生高速激光束通過振鏡的控制，激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動并使其熔化，將塑料層逐漸粘結(jié)在一起；或者將被夾層沿著固定的激光束移動達到焊接的目的。

在現(xiàn)有技術(shù)中，激光焊接結(jié)構(gòu)平對平結(jié)構(gòu)、矩形T筋結(jié)構(gòu)在焊接過程中，融化的塑料在壓具的作用力下會出現(xiàn)溢料的情況。普通帶凹槽的矩形T筋結(jié)構(gòu)可以解決焊接溢料問題，但易出現(xiàn)焊接不良，原因是上下工件在裝配過程中定位不精確，過于依賴塑料工件加工精度及平整度，而塑料工件大部分為注塑工藝，無法完全解決收縮問題，所以平整度、公差會出現(xiàn)一定偏差，影響激光焊接效果。在產(chǎn)品裝配且存在一定誤差的情況下，增大激光覆蓋面積可解決工件、裝配誤差問題，但是通過增加激光面積的直接方法來調(diào)整激光器對焦焦距，增大光斑面積，雖然覆蓋面積加大，帶來的問題是相同功率下焊接溫度降低，需大幅提高焊接功率來達到焊接溫度。若功率過大，焊縫會產(chǎn)生氣孔，李姣[5]、吳鵬[6]的研究表明，ABS的激光焊接焊縫中在激光功率過高的時候會出現(xiàn)一些黑色孔洞，這是因為能量較大使得吸收層ABS的溫度快速升高，一瞬間超過了ABS的熱分解溫度，產(chǎn)生了一些分子量稍小的聚合物，這些聚合物在顯微鏡下觀察為白色晶體。該小分子量產(chǎn)物在溫度偏高的情況下，易發(fā)生燃燒，產(chǎn)生氧化反應，同時放熱，并產(chǎn)生氣體一氧化碳，因此造成了一個個黑色孔洞。且工件材質(zhì)為半結(jié)晶塑料，熔化及變形溫度不好掌握，所以此調(diào)整方式弊大于利，且會減少激光器壽命。所以，合理的焊接工藝參數(shù)對于塑料激光焊接來說極為重要。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

100 W半導體振鏡塑料焊接機，武漢華工激光工程有限責任公司；冷藏試劑盒盒體，浙江拱東醫(yī)療器械股份有限公司；冷藏試劑盒盒蓋，東莞市合盛塑料制品有限公司；泄漏測試儀ATEQ F6-C，阿黛凱檢測技術(shù)（上海）有限公司；密封性測試儀，濟南百戈實驗儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 整體焊接過程

先將上層工件核酸檢測試劑盒蓋與下層工件核酸檢測試劑盒置于載具上，并通過相互配合的凸凹式接頭進行裝配，定位好上層工件核酸檢測試劑盒蓋與下層工件核酸檢測試劑盒的安裝連接位置；自動機械手將裝配好的待焊接工件核酸檢測試劑盒工件從載具上取出并裝入激光焊接固定夾具中進行定位固定，然后透明亞克力板將待焊接工件壓緊，使待焊接工件與焊接激光光束相對移動，使焊接激光光束按照預設的焊接參數(shù)，沿待焊接工件的凸凹式接頭位置移動并將凸凹式接頭熔融焊接連接在一起。

1.2.2 焊接參數(shù)

使用激光器參數(shù)見表1。

表1 使用激光器參數(shù)

對應焊接參數(shù)見表2。

表2 對應焊接參數(shù)

振鏡抖動模式如圖1所示。

圖1 振鏡抖動模式

1.2.3 參數(shù)確認過程

通過傳統(tǒng)準同步焊接調(diào)試，焊縫質(zhì)量較好，但是并不穩(wěn)定。因為PP材質(zhì)注塑尺寸縮水問題，不同批次試劑盒均出現(xiàn)焊線偏移、虛焊和漏液問題。經(jīng)過調(diào)整后，焊線偏移、虛焊問題解決，漏液率顯著下降到千分之一以下。

1.2.4 材質(zhì)

上層工件核酸檢測試劑盒蓋為半透明本色PP材質(zhì)，下層工件核酸檢測試劑盒為黑色含吸光色母添加劑的PP材質(zhì)，黑色色母配方為碳黑。

1.2.5 材質(zhì)確認過程

測試0.3%、0.5%、1%和1.5%碳黑添加比例。通過肉眼觀察對焊縫煙塵情況及焊縫氣泡、空腔和碳化等外觀進行評定，選取合適色母比例進行添加。

1.2.6 焊接結(jié)構(gòu)

上層工件核酸檢測試劑盒蓋焊接槽為榫槽結(jié)構(gòu)（圖2），且盒蓋本身有突出部分（圖3）可以插入下層工件核酸檢測試劑盒試劑槽內(nèi)（圖4），起到輔助定位作用。下層工件核酸檢測試劑盒梯形焊接筋（圖5）用于吸收透過上層工件核酸檢測試劑盒蓋的激光，融化并與上層工件貼合固定，梯形焊接筋同時起到裝配定位功能。

圖2 盒蓋焊接槽

圖3 盒蓋結(jié)構(gòu)

圖4 盒底結(jié)構(gòu)

圖5 盒底焊接筋

1.2.7 焊接軌跡

焊接激光軌跡沿圖6路徑移動，且先走中圈再走外圈、內(nèi)圈，焊接功率為最高功率40%~55%，焊接次數(shù)2~3次，達到使激光覆蓋面積增大的效果。

圖6 焊接軌跡設計

1.2.8 激光焊接工藝對核酸檢測試劑盒的應用

激光焊接焊縫清潔，無顆粒物污染。采用紅外激光束而非摩擦加熱方式，因此焊接過程不產(chǎn)生顆粒物，對核酸試劑沒有性能影響。核酸檢測試劑盒中試劑對于部分材料有化學相容性問題，所以半結(jié)晶塑料（本試劑盒使用的為PP材質(zhì)）適合作為核酸檢測試劑盒的容器材質(zhì)，而激光焊接對于此材質(zhì)和試劑均有較好的相容性。

根據(jù)預試驗結(jié)果、激光焊接機調(diào)試過程及廠家建議，對焊接功率、焊接速度、焊接圈數(shù)和光斑直徑進行四因素四水平正交試驗，見表3。

表3 因素水平表

2 結(jié)果

2.1 色母比例試驗

在塑料件模具定型后，對聚丙烯（PP）冷藏試劑盒盒體注塑配方中吸光色母進行試驗，根據(jù)PP料透光率80%~89%、PP注塑成型參數(shù)和激光焊接機最大功率等，設置5組配方進行試驗，肉眼觀察焊縫煙塵情況及對焊縫氣泡、空腔和碳化等外觀進行評定，選取合適色母比例進行添加。詳見表4。

表4 聚丙烯（PP）冷藏試劑盒盒體色母比例試驗

2.2 正壓密封性測試

根據(jù)表3進行四因素四水平正交試驗設計，得到16組激光焊接參數(shù)試驗組，每組進行焊接測試1 000個冷藏試劑盒樣品，使用泄漏測試儀ATEQ F6-C做正壓密封性試驗，壓力2 000 Pa，時間60 s，對焊接后的冷藏試劑盒樣品進行密封性測試，表5為16組激光焊接參數(shù)試驗組及對應的漏液比例。由正交試驗結(jié)果可知，當激光焊接功率為50 W，激光焊接速度為1 000 mm/s，焊接圈數(shù)為3，激光光斑直徑為0.8 mm時，此時漏液比例達到最低的0，對應的試驗編號為9。

表5 正壓密封性測試

2.3 水下負壓密封性測試

根據(jù)表3進行四因素四水平正交試驗設計，得到16組激光焊接參數(shù)試驗組，每組進行焊接測試1 000個冷藏試劑盒樣品，使用密封性測試儀做水下負壓密封性試驗，壓力-0.08 MPa，時間30 min，對焊接后的冷藏試劑盒樣品進行密封性測試，表6為16組激光焊接參數(shù)試驗組及對應的漏液比例。由正交試驗結(jié)果可知，當激光焊接功率為50 W，激光焊接速度為1 000 mm/s，焊接圈數(shù)為3，激光光斑直徑為0.8 mm時，此時漏液比例達到最低的0，對應的試驗編號為9。

表6 水下負壓密封性測試

2.4 剪切拉伸測試

剪切拉伸強度測試參照國家標準：ASTMD1002—10《拉伸剪切強度測試標準》，使用電子萬能試驗機做剪切拉伸試驗，對焊縫進行可承受的剪切載荷測試，拉伸行程最大為500 mm，拉伸速度為0.1~500 mm/min可調(diào)，拉伸剪切試驗使用的拉伸速度為2.0 mm/min。

并且計算出剪切強度，每組參數(shù)測試100個冷藏試劑盒樣品，取剪切強度的平均值為該參數(shù)下的剪切強度。由正交試驗結(jié)果可知，當激光焊接功率為50 W，激光焊接速度為1 000 mm/s，焊接圈數(shù)為3，激光光斑直徑為0.8 mm時，此時焊縫剪切強度最高，為37 MPa對應的試驗編號為9。詳見表7。

表7 剪切拉伸測試

2.5 大批量密封性測試

由正交試驗結(jié)果可知，當色母添加比例為1%，激光焊接功率為50 W，激光焊接速度為1 000 mm/s，焊接圈數(shù)為3，激光光斑直徑為0.8 mm時，此時漏液比例達到最低，焊縫剪切強度最高，以本組參數(shù)進行設備自動化焊接測試10 000個冷藏試劑盒樣品，使用密封性測試儀做水下負壓密封性試驗，壓力-0.08 Mpa，時間30 min，使用泄漏測試儀ATEQ F6-C做正壓密封性試驗，壓力2 000 Pa，時間60 s，對焊接后的冷藏試劑盒樣品進行密封性測試，漏液比例為0，且焊縫清潔無煙塵，焊縫內(nèi)部無氣孔的存在。

3 結(jié)論

在通過對冷藏試劑盒塑料激光焊接結(jié)構(gòu)及焊接工藝進行系統(tǒng)研究，采取梯形焊接筋配合焊接槽結(jié)構(gòu)組合，使用單圈多軌跡激光路徑、調(diào)整不同內(nèi)外圈焊接次序、焊接功率和焊接速度控制焊接溫度，增大激光覆蓋面積克服裝配系統(tǒng)性誤差，在不改變激光器對焦焦距的前提下降低激光器使用功率，增加激光器壽命，得到焊縫剪切力最大的焊接效果，四因素四水平正交試驗結(jié)果表明影響漏液比例、焊縫剪切強度的主要因素為焊接圈數(shù)及焊接功率。

當色母添加比例為1%，激光焊接功率為50 W，激光焊接速度為1 000 mm/s，焊接圈數(shù)為3，激光光斑直徑為0.8 mm時，此時漏液比例達到最低的0，焊縫剪切強度最高，為37 MPa，且焊縫清潔無煙塵，焊縫內(nèi)部無氣孔的存在，此時焊縫剪切強度最高。