半导体激光器在焊接领域的应用

半导体激光器在焊接领域的应用随着各种技术的发展，半导体激光器已经能在多种焊接应用中一展身手。在实际工业生产中，半导体激光器已能够焊接汽车、电子产品、医疗设备制造中的诸多敏感零部件，并且也能为食品包装和消费电子市场提供相关的焊接服务。COMPACT（见图1）是德国DILAS公司推出的高功率半导体激光器系统，该系统采用工业标准的19英寸机箱封装，这种模块化的设计理念，能为OEM供应商提供紧凑简洁的焊接解决方案。COMPACT系统的输出功率范围最高可达500W，并提供标准界面与相关接口。图1：DILAS公司COMPACT半导体激光器系统此外，DILAS公司还为COMPACT的应用提供定制化配件，如激光加工头、光学成像系统、振镜扫描头和高温计等，从而加大对生产制程的控制，实现高质量的焊接效果。下面将介绍COMPACT系统在焊接塑料和薄片金属中的实际表现情况。塑料焊接除了传统的塑料焊接方法外，用激光焊接塑料已被证明是一种可行性方案。目前，利用激光焊接方案已经能够焊接汽车、电子、医疗设备制造中的敏感零部件，并且能服务食品包装和消费电子市场。与传统的塑料焊接方法相比，激光塑料焊接具备如下优势：·最小的机械应力；·最小的热应力；·稳定的焊接过程；·极大的焊接灵活性；·完全无粒子产生；·内部连接；·小的熔融物喷射；·不需要附加的吸收剂；·高质量和牢固的焊接质量。图2中显示了用COMPACT激光系统焊接的几种塑料产品的实际情况COMPACT激光系统焊接的几种塑料产品的实际情况。图2：COMPACT激光系统的几种焊接应用实例液体运输部件无粒子焊接，并具有紧密焊缝。实现完美表面与牢固焊接的灵活过程为了实现具备完美表面的牢固性焊接，通常使用重叠和光束透射焊接（transmissionwelding）。对红外区域的激光能量的吸收，通常是通过颜料实现的。在透射焊接中，激光辐射透过一个被焊接的部件，被另一被焊接的部件吸收。现在激光能够焊接多种颜色的塑料，并通过向焊接处添加各种颜料实现更高的焊机牢固性。相比于粘接、超声焊接、振动焊接以及热焊接等传统的焊接方式，激光焊接拥有诸多优势。粘接通常需要对接触面进行预处理，并且要使用有机溶剂。热焊接虽然成本较低，但是其焊接速度相对缓慢，并且容易有磨损情况发生；而且，通常这种焊接方法的热影响区较大，因此不适合敏感零部件的焊接。摩擦焊接、振动焊接和超声波焊接，将会对焊接部件施加较大的机械力，这使得焊接结构更为复杂，并且需要定期检查工作。与上述焊接方法相比，激光焊接的优势凸显。激光焊接产生最小的热应力和机械应力。而且，激光焊接非常清洁，没有颗粒产生，也不需要溶剂，并具有高度灵活性，焊接是在被连接物体的内部进行的。焊接过程的可靠性与控制实际应用表明，在激光焊接应用中，高温计是一个非常有用的工具。将COMPACT高功率半导体激光器系统与高温计一起使用，能够实现非接触式温度测量，并且能够快速调节温度保持稳定（见图3）。这种闭环温度控制系统，能使焊接过程始终保持在一个恒定的温度下进行，以避免由于过热所造成的损伤。图3：COMPACT高功率半导体激光器系统与高温计一起使用所实现的温度稳定性温度信号可以在一个定义的过程窗口中用图标的形式生动地显示出来，这样就能够随时发现焊接不合格的部件，并将其挑选出来。除此之外，DILAS还为用户提供具备色彩校正f-Theta透镜的检流计扫描器。波长除了标准的透射焊接波长外，COMPACT高功率半导体激光器系统还提供1940nm波长。在此波段，在不需要使用任何额外的激光能量吸收剂的情况下，就能用COMPACT系统实现对两个透明薄皮或两个透明零部件的焊接。在焊接透明的塑料产品时，DILAS还允许用户使用其专利产品——PCT/EP99/05109。金属薄片焊接激光连续波焊接金属是经过实践验证的有效方法，能够确保高精确度的焊接过程。COMPACT系统能够实现广泛的精密金属焊接，如焊接电子元器件、传感器、压力开关或气阀等配件以及补偿器、外科手术器械、管道和薄膜等产品。尤其是当焊接厚度只有0.8mm的薄片金属时，半导体激光器实现的焊接质量明显优于灯泵浦的连续波固体激光器。图4显示了用COMPACT系统实现的一些金属薄片焊接实例。COMPACT系统结构紧凑，性能高效，并且操作维护也非常简便。其在焊接金属薄片时，表现出如下优势：·高度的可靠性和灵活性；·焊接质量好，无需反复操作；·无辅助性工具，无缝焊接；·焊接速度快；·相对投资成本低；·热影响区小，热应力小。经济实用的薄片金属焊接方案半导体激光器是最有效的激光光源。半导体激光器的电-光转换效率是的灯泵浦固体激光的10倍以上。因此，半导体激光器具有相对较低的使用成本、较高的效率高和紧凑的结构，是一种非常经济实用的解决方案。COMPACT系统安装简单、使用方便，能够很容易地集成到现有的产品线中，并且该系统的高度可靠性，也免去了用户很多的保养和维修成本。用COMPACT半导体激光器系统实现的高质量焊缝，能够减少由于重复加工所带来的成本和时间需求。根据应用的不同，半导体激光器焊接有可能完全消除重复加工。当焊接厚度低于1mm的金属零部件时，仅需要几百瓦的输出功率。通常情况下，半导体激光器能够获得400~800μm的光斑尺寸，因此其光束质量已经与灯泵浦的Nd:YAG激光器的光束质量相当。图5是用COMPACT系统焊接不同材料的金属时的焊接速度与焊接深度之间的关系曲线。