白皮书
医疗器械挑战：异种金属细丝焊接
综述
不锈钢或镍钛合金是医疗器械中常用的材料。 Coherent 高意的应用专家针对这种难以焊接的细丝材料，开发了一种安全焊接的工艺。 该过程甚至可以在不破坏任何塑料涂层的情况下进行
医疗器械的微焊接
激光焊接广泛应用于医疗器械制造（如植入物或内窥镜设备），通常用于连接精密部件。当需要焊接的部件是由难以焊接的材料制成的极细丝材时，这将变得极具挑战性。 典型材料包括不锈钢、镍钛合金或钛，因其具有生物相容性、耐腐蚀且易于灭菌。若需连接异种材料，难度将进一步增加。激光器是此类任务的首选工具（若非唯一工具）。焊接过程不得损害材料的必要物理特性，例如镍钛合金的形状记忆特性。
连接细丝时，要求实现零间隙；它们必须精确地相互对接，因为不使用填充金属，即使是很小的间隙也可能太大而无法实现可靠的连接。因此，激光光束也必须精确聚焦。虽然第一个问题可以通过夹具得到解决，但后一个任务需要通过自动视觉系统来对齐激光焦点位置。
图 1：细丝焊接设置 ：待焊接部件固定在管材上。保护气体通过 8 mm 黄铜管吹入。
使用 ExactWeld 430 进行焊接
焊接直径小至25微米（0.001英寸）的细丝需要对焊点精确施加能量。必须以受控且可重复的方式传输微小的脉冲能量。这种激光脉冲的持续时间和脉冲波形起着至关重要的作用。
Coherent 高意的 ExactWeld 430 机器是满足所有这些要求的精密激光焊接成套式解决方案。 该工作站包含一个集成式光纤激光源（Coherent 高意 StarFiber）。 ExactWeld 的典型激光器配置的输出功率范围为 100 W 到 600 W 之间。 凭借可重复的脉冲调制宽度，可以产生毫焦耳能量级别的激光脉冲。 激光光束由振镜扫描头或固定式焊接光学系统进行传输。 该工作站还包括一个用于控制和供应保护气体的系统。 同样重要的是，1 类激光器外壳符合最新的人体工程学准则。
在处理如此微小尺寸的零件时，视觉系统和照明起着至关重要的作用。经过正确优化后，视觉系统可实现自动化处理，例如当间隙过大时，焊接间隙控制系统会自动停止焊接过程。
在加工之前，将线材放置在指定的夹具上。该夹具对于在焊接过程中保持线材精确就位至关重要。该工作站有多种可使夹具机械夹紧零件的选项。 该系统支持多达四个自由度（x、y、z及旋转）。用户友好的软件可对系统进行控制，其工厂自动化功能（支持工业4.0/物联网）能显著提升小型金属零件的焊接质量、产量及吞吐量。所有加工零件均可记录以供追溯：数据可能包含零件编号、时间戳及特定图像。
经过正确优化后，视觉系统可实现自动化处理。例如，这意味着当间隙过大时，焊接间隙控制系统将自动停止焊接过程。
25 µm 镍钛合金和不锈钢线材的激光焊接
在Coherent高意应用实验室进行的最新研究中，使用ExactWeld 430设备连接了由镍钛合金和不锈钢制成的细丝。研究中选用了多种材料组合：
1) 镍钛合金/镍钛合金
2) 不锈钢 316L/不锈钢 316L
3) 不锈钢 316L/镍钛合金
两根不同线材被固定在由聚四氟乙烯（PTFE）套管保护的衬板上形成线卷。关键目标是在不损坏PTFE套管的情况下连接这两根线材。焊接搭接段直径相等；测试了直径为25.4微米（d = 25.4 µm）以及若干更大直径的线材。在所有情况下，均成功完成任务且未穿透PTFE套管。
以下是一些关键工艺细节。激光器采用焦距为100毫米的2倍扩束器，工作距离为0.5毫米，理论光斑直径为12.5微米。针对25.4微米的直径，焊接所需的激光功率范围为30至50瓦，具体取决于材料组合。 脉冲持续时间调整至0.035至0.05毫秒之间，从而获得1毫焦耳（用于焊接）至2.5毫焦耳（用于切割突出线材）的脉冲能量。所有实验均采用流量为15升/分钟的氩气作为保护气体，黄铜管直径为8毫米，BAK 4喷嘴距离为1.4毫米（见图 2）。
要焊接更粗的线材，可以提高脉冲持续时间，同时将实际激光功率保持在与焊接细丝时相同的水平。焊完线材后，用一系列更强的脉冲切断阻碍操作的线材末端。
图 2： 镍钛合金与镍钛合金的 焊接（左）和镍钛合金与不锈钢的焊接（右）。
研究结果
应用试验表明，100 W StarFiber 激光器的功率足以焊接不同线材组合。所有工艺窗口都相当狭窄：峰值功率低于10 W，脉冲持续时间小于10 µs。过高参数会导致线材断裂，过低参数则无法实现焊接。所采用的脉冲形状有助于维持工艺稳定性。 线材必须保持接触且不得形成间隙桥接，这一点至关重要。切割线材时还存在将线材末端焊接到下一根线材的风险。因此，定位至关重要。
| 峰值功率 [W] | 脉冲持续时间 [毫秒] | 重复频率 [Hz] | 速度 [毫米/分钟] | 备注 |
| 30 | 0.035 | 30 | 20 | 焊接 |
| 40 | 0.05 | 30 | - | 切割 |
成套式优化解决方案
ExactWeld 工作站由 Coherent高意的应用专家根据所需应用进行工厂定制。这种定制不仅涵盖激光器、工艺控制和自动处理系统，还包括专用夹具（如有必要）。因此，客户能够从应用工程师的集体知识和经验中获得巨大价值。
通过这种方式，ExactWeld 可针对各种焊缝类型和几何形状进行优化。 对于接触焊，可实现直径低至10微米的微小焊点。至于缝焊，可在高速焊接条件下形成几何形状精密的微小焊缝。自由形式焊接同样可通过编程实现。借助旋转台，可进行无气孔、无裂纹的密封焊接，从而实现防泄漏焊接。所有系统均可随时获得全球本地化服务及备件供应。
因此，客户从应用工程师的集体知识和经验中获得了巨大的价值。
最近在可靠性、性能和易用性方面的实际改进，有望使其在经济上更具吸引力。
Coherent 高意是一家垂直整合的制造商，在提供多种不同整合水平的优质产品方面具有无与伦比的能力。 例如，新型 ExactWeld 430 结合了已在许多应用中得到验证的专业 ExactSeries 工作站平台和Coherent 高意的现代 StarFiber 100 至 600 激光子系统。 为了确保可追溯性，可以记录每个零件的部件和工艺详细信息。
图 3： Coherent 高意的 ExactWeld 430 是用于自动焊接任务的 1 类激光设备。
总结
总之，医疗器械制造中最具挑战性的焊接应用之一（焊接细至 25.4 µm (0.001”) 的镍钛合金和不锈钢材质丝线）已经成功完成。 镍钛合金等特殊材料需要很小的工艺窗口；必须可靠且可重复地生成脉冲功率、持续时间和脉冲波形。 由于尺寸很小，因此还需要精确定位工件和聚焦激光。 Coherent 高意的 ExactWeld 430 已经在医疗器械行业的各种其他严苛的焊接应用中日臻成熟。 目前，它已被证明能够为这一难以完成的细丝焊接任务提供出色的解决方案。 最近在可靠性、性能和易用性方面的实际改进，有望使其在经济上更具吸引力。