激光焊接是组装高性能III类植入式医疗设备的黄金标准。这项技术促进了多项医疗创新的出现，从导丝组件这类被动设备到包括心脏节律管理（CRM）设备和脑机接口（BCI）这样复杂的主动性产品。

医疗设备制造商必须确信：设备组件在部署到患者体内之后，还能保持其完整性。激光焊接通过提供一种非接触式、无颗粒的连接方法，快速形成高强度的连接，并保持卓越的精确度和可控性，解决了这一关键需求。图一展示了使用激光焊接制造的几种常见的医疗设备。

图1：需要激光处理以确保坚固、高质量接头的医疗设备示例（左）和突出显示关键接头的可植入设备示例（右）

为什么要用激光焊接？

激光焊接相较于其他材料连接技术具有明显优势。传统的焊接或连接方法（如金属惰性气体、钨惰性气体等）往往会产生大量颗粒，而且往往需要二次加工或清洁。而相对的，激光焊接在过程中就很清洁。此外，在进行适当控制与优化时，激光焊接还可以快速产生高强度的焊接接头。当通过自动化设备进行激光焊接时，这样的接头具有高度的可复制性，精度和视觉吸引力也很高。自动化激光焊接过程还能严格控制接头的热影响区（HAZ），如图2所示。最后，激光焊接为连接不同的材料提供了新的机会，也为设备制造商开辟了新的可能性。

图2：激光焊接的热影响区与其他材料连接方式热影响区的对比示意图

激光焊接的工作原理

有效的激光焊接是通过控制激光能量沿给定路径或轮廓传递来实现的。通过小孔管理的激光焊接是一种精细的焊接技术，使用高能激光光斑来创建深而窄的焊缝。在这个过程中，激光的强烈能量迅速熔化材料，形成一个深而窄的孔洞，称为小孔（keyhole）。这个小孔周围是熔化的材料形成的熔池，通过激光能量输入与热散失的微妙平衡得以维持。当激光束沿着接头移动时，由于小孔前方的材料持续熔化，熔融材料充填着孔穴移开后留下的空隙并随之冷凝，最终固化形成强韧的焊缝（或接头）。

与其他焊接方法相比，小孔焊接法允许焊接时穿透度更深，焊接强度也更高。这使得它在连接较厚的材料，或者需要深焊接的场合中特别有效。然而，精确控制功率密度和焊接参数对于防止气孔或过度飞溅等缺陷，确保焊接的高质量及耐用性来说至关重要。图三展示了这一差异。

图3：展示了进行激光焊接时孔穴的侧视图（上）和俯视图（下）

充分发挥激光焊接的潜力还依赖于通过对激光零件进行适当的运动，精确控制这个过程。将激光应用在材料上时，所选的热能位置和数量对形成高强度的连接是至关重要的，这有助于确保接头的一致性、可复制性和最小热影响区。通过将先进的控制器功能（如空间域激光脉冲控制）与卓越的电机技术相结合，设备制造商可以在其组装过程中，实现前所未有的部件可重复性。这些控制功能提升了焊接过程，并为日益复杂和微型化的植入式设备铺平了道路——最终实现更好的疗效，与更多的治疗选择。

高质量的激光焊接接头是如何形成的？

典型的激光焊接工作站会用到激光源和激光扫描头。激光源通常是根据所期望的激光与材料的相互作用来选择的。例如，像铜或铝这样反射性强的材料就需要特别考量。此外，很薄或很厚的材料会有不同的应用要求。激光源的供应商能够协助确保激光器是特定应用的最佳选择。因为供应商可以将焊接目标的属性列入考量，包括穿透深度、焊缝宽度、热影响区、大小与焊接速度要求。一旦激光源选择完毕，就可以选择激光扫描头了。

图4：高性能激光扫描头的图像（左）及其内部组件和激光束路径的爆炸图（右）

激光扫描头通常由至少2个高动态的电机（通常也称电流计），搭配反射率优化后可以反射激光源的反射镜组成。这些电机还使用了高分辨率的数字编码器，能通过伺服控制回路来控制其角度偏移。反射镜通过F-Theta透镜引导激光束，使透镜的角度位置与激光束在镜头视野内的位移线性化，如图四所示。在激光焊接中，激光扫描头有以下几个优势：

最佳的光束控制与定位。能够快速准确地引导激光束，即使在复杂的零件上也能实现一致、可重复的焊接效果。即使在高速条件下，激光扫描头也能执行复杂的焊接路径或几何形状。

焊接小孔管理。如图五所示的振动模式常用于控制焊接小孔的宽度和深度。脉冲和功率的调整也可以管理热量的输入。

过程监控。通过轴外相机或轴穿透视觉，也可以精确定位激光点，并实时管理焊接过程。

图5：生成焊接路径时使用的振镜模式示例。

大型焊接如何实现？

激光扫描头的一个常见缺陷是视野问题。为了在零件上定位激光点时保持精度，扫描头的视野范围通常被限制在沿工作表面x和y维度的数十毫米内。从历史来看，这限制了可焊接部件的尺寸。然而，最近的运动控制技术进展使得激光点在近乎无限的视野范围内无缝控制成为可能。

图6：Aerotech的自动控制器同时控制着激光扫描头和伺服工作台来执行高性能的激光焊接

激光扫描头和高精度伺服工作台的耦合控制，可以无需再移动部件到激光扫描头视野之外的区域。如图六所示，现代运动控制器允许激光扫描头和伺服工作台同时运动，从而在非常大的部件表面上实现高质量的焊接。

总结

激光焊接对于制造可靠、高性能的植入式医疗设备至关重要，可以提高患者的安全性和设备的使用寿命。激光焊接所提供的精确控制和可重复性，特别是通过小孔管理，确保了接头的坚固清洁，并将热影响区域降到最小。控制激光扫描头和伺服工作台的先进运动控制器，同样必不可少。这些部件可以实现精确的光束控制、焊接孔穴管理，以及在较大部件上创建焊接的可能性。这种水平的控制和精度将在植入式医疗设备的持续发展中发挥着关键作用。激光焊接将使得更加复杂和微型化的设备成为可能，并最终扩大治疗的选择，改善患者的疗效。

原文来源：Medical Design Briefs