用高功率二极管激光器进行塑料焊接 - 文章

用高功率二极管激光器进行塑料焊接

作者：Klaus Kleine, Andre Eltze

高功率二极管激光器在许多应用领域都确立了其地位，例如：焊接聚合物，淬火，激光上釉，热传导焊，表面熔覆，和钎焊过程。由于其模块化的装置设计，多用途的二极管激光器能够输出几乎各种外形的激光光束。直线或者矩形的焦点最适合于大面积的聚合物焊接，以及实现多束激光的设计方案。而圆形的激光则被用来进行其他的塑料焊接，这些应用要求很高的灵活性和可靠性。

作为传统的塑料焊接方法(比如超声波焊接，振动焊接，或者热工具焊接)的备选方案，二极管激光结合振镜扫描系统可以被用来焊接绝大多数的热塑性塑料。使用这项技术，热塑性塑料可以被快速而可靠的进行焊接，而且不受焊接区域的尺寸和分布的限制。同时，还可以避免对电学元件和触针的破坏。与超声波焊接相比，这里对零件尺寸没有限制，而且可以对“软/硬”聚合物组合进行焊接(如图1)。此外，焊接火花小，而且不会有毛刺。

图1. 使用二极管激光器来焊接软/硬聚
合物组合，它被用于液体罐装系统。

目前，二极管激光器提供了最先进的解决方案，被用于大规模生产耐压的集装箱焊缝，进行电子元件封装，生产汽车零部件和金属薄片。

生产率的提高

使用具有更高功率的二极管激光器可以用更快的加工速度来进行塑料焊接，从而得到更高的生产率。

利用二极管激光器进行塑料焊接的实验表明，对于特定的材料组合，颜色和材料厚度，能量的线性要求几乎不变。激光能量加倍意味着焊接塑料零件的时间减半。这个关系在很大的加工参数范围内都适用，它仅受到吸收特性和聚合材料热效应的限制，即：如果线性能量太高，顶部透明的材料开始吸收能量，并且可能被破坏。另一方面，如果线性能量太低，在高速加工过程中，激光束与加工区域的相互作用可能导致焊接性能不够好。

图2是应用的实例，使用了波长250 nm的激光来焊接电子元件的外壳。材料是镤（PA），厚度为1 mm。使用激光穿透焊时，必须保证焊接的零件其中一个对于该激光波长来说是透明的。另一个零件必须吸收激光能量以保证将激光辐射能变为热能。这样，激光辐射的吸收只在边界区域进行。两个零件被压在一起，热能的输入与传导使得两种材料都被熔化。在熔融的聚合物固化后，两个零件就被连接到一起了。

图2. 二极管激光器被用来
焊接电子元件的外壳。

使用Laserline公司的DioScan(如图3)二极管激光器系统的准同步焊接加工方法被用在这个加工过程中。扫描装置被连接到二极管激光器的输出处，它能够快速且重复的将激光光束定位在工件的焊接外形，从而能够对焊接区域进行合适的加热。

图3. 结合了二极管激光器与扫描器
的系统被用来进行准同步焊接

将二极管激光器系统和扫描头相结合所进行的实验给出了激光功率和生产率之间的关系，这里激光能量范围在80到350 W。

这里使用了功率为160 W，扫描速率为1.5 m/s的激光，在10 s内有60个通路经过，从而得到该焊接形状。可以利用更高的激光能量来降低加工时间：输出为350 W时，可以以3.3 m/s的焊接速度来得到给定的焊缝。与焊接速度较低的情况相比，焊接质量几乎不变。在这种情况下，线性能量只改变了一点点，但是，总的焊接时间降低到小于5 s(如图4)。总的来说，使用更高的激光功率是可以提高生产率的。

图4. 激光功率级别的提高使得
生产率的提高成为可能。

要利用这一关系必须具有灵活的高功率激光源，这样焊接速度才能得到增加。通常，用于焊接塑料的系统是直接或者光纤耦合的二极管激光器，这种情况下，激光束只对焊缝进行一次加工。在同步焊接中使用了多重激光器系统，这样几路激光同时对一个零件进行加工。

多重激光器系统和单重激光系统的优点可以被结合到类似DioScan的系统中。在毫秒量级内，两块镜片可将激光光束引到工作区域 (10 英寸x 10 英寸) 内的任何一点上。焦斑尺寸以及相应的焊缝宽度可缩小到0.02英寸。这个系统使得焊接轮廓和形状可以有更大的灵活性，需要的话，还可以实现很大的焊接尺寸。高达1000 W的激光功率可以实现很高的焊接速度，同时可以很快的适用于新而复杂的焊接外形，而不需要对零件或者激光头进行任何机械操作。

主要的应用领域在于轮廓焊接和准同步焊接。与其他方法，如超声波焊接相比，其优势在于零件不会变形，以及对易碎零件焊接时无需接触。

即使不使用三维扫描头，也可以使得零件的焊缝不在同一个平面内。这是利用了场的有效深度，尤其是利用长焦距的特性。即使是使用了相对短的焦距范围 (f=163 nm) ，场深(焦斑直径变化小于10%范围)仍然可以达到15 mm。这样，不平整的，或者说波动范围在焦平面15 mm内的工件可以得到一样的结果。焦深更长的情况下，容差可以更大。对许多不平整和三维零件的实验证实了这个结果。

灵活，经济，可升级

总的来说，二极管激光器对塑料非接触式而快速的焊接过程为取代传统塑料焊接方法提供了一个灵活而且无磨损的方法：振动焊接需要坚硬且昂贵的工具，热圆盘焊接仅仅适用于大型零件。二极管激光器加工时间短，能量分布集中，这就降低了对塑料零件的破坏。在焊接过程中，工件上高度灵敏的电路并不会被破坏。通过合理的选择材料和颜色可以避免或控制连接处的焊接飞溅。大量材料和颜色的不同组合都可以被焊接而得到所需的连接强度。

二极管激光器的特点在于其效率和简洁的设计。它们的高效率带来了低投资和低成本。二极管激光器的正常运转时间很长的特性已经在很多大规模应用中得到证实。最近的发展，例如，快门时间变短，堆栈管理更合理，它们进一步提高了激光的正常工作时间(已超过99%)。

带扫描头的二极管激光器已经被成功的应用于自动化大规模生产，包括传感器外壳、集装箱、电子元件、储液箱和液压零件等。在医疗设备工业，它们被用来焊接金属薄膜和液体容器。

在激光功率更高的情况下，生产率得到了提高。这对于焊缝很长的应用情况尤为实用。比如，在焊缝长度加倍的情况下，只要激光功率加倍就能够以同样的加工时间完成焊接。由于模块化的设计，二极管激光器的功率容易进行调整，以完成新的任务或实现新的功能。由于这项性能，在提高生产率的同时，不需要对整个设备进行大调整。(end)

(投稿) (2007-4-4，阅读909次)

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