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新型激光连接法——用温度探测器及扫描振镜进行在线过程控制

2009-02-27 14:26
风频浪劲
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    作者:Wolfgang Horn 在德国Darmstardt 工业大学学习物理。1995年加入德国Mannheim的德国焊接研究院 (SLV), 1997年到2002年Wolfgang负责制程部的研发工作。2002年他加入DILAS Diodenlaser GmbH,负责工业激光系统产品。

 

    前言

 

    该扫描振镜的新型设计是具有由同轴温度探测器进行半实时材料表面温度控制及快速光线扫描的二个优点。它不但能使用在半实时塑料焊接而且能用在同一工作面内非机械定位的某些多焊点回流焊。温度控制过程具有高稳定性的特点。

 

    温度探测器控制激光过程

 

    与其他激光种类相比较,半导体二极管激光器是直接由能量(电流)转化成激光。它允许对激光能量进行快速的调节,这是快速制程的必要条件如使用温度探测器的闭合回路温度控制。塑料的轮廓焊接,熔接及热处理都可以把温度探测器与光学焊接头整合在一起,从而能同轴测量处理区域的热辐射。

 

    为避免激光源干扰温度探测器,探测器必须对不同光源的波长高度灵敏。材料处理一般使用的探测器是对1800nm-2100nm灵敏,然而半导体二极管激光器光源是810nm或980nm。

 

    为确定处理制程的绝对温度,材料的特性如发射系数及表面特性必须要知道。但大部分制程它们是不能确定的。例如在熔接过程,焊料的状态是从固体变到液体又回到固体的,所以它的光学性质一直在变化。在塑料焊接制程中,热辐射的吸收或散射是由填充材料如玻璃,颜料或其他东西决定的。

 

    对大部分的应用来说相应的温度测量对开或闭回路制程控制来说已经足够了。温度探测器的控制器能储存处理的数据,如焊接温度激光输出以作为分析及存档之用。因此这是对质量控制及产品研发很重要的工具。

 

    扫描振镜和温度探测器

 

    扫描振镜普遍使用于快速定位及移动激光光斑。典型的应用是半实时塑料焊接及回流焊。镜子偏离透镜的光轴来移动激光光束,并使光束不再与光轴平行。这对使用温度探测器导致了很严重的后果。标准平场透镜的光学性质如焦距及防反射涂层只能在很小的专用波长范围工作。不同波长的温度探测器及激光的焦点因色差而不一致。(图1所示)这意味着在温度探测器工作过程测到的辐射不是从激光焦点处而是从别的地方。闭合回路制程或甚至温度监测就不可能了。但使用一个特别设计的光学透镜就能纠正色差使得温度探测器跟激光的焦点一致。图2是使用了纠正色差的平场透镜及整合了单色温度探测器的DILAS扫描振镜DL.S20P。此扫描振镜与DILAS公司生产的COMPACT光纤耦合半导体二极管激光器系统配合使用,随系统还附有对其及温度探测器控制的软件。

 

 

图1: 温度探测器和激光在标准的平场透镜(左)下有不同的焦点,然而纠正色差的平场透镜(右)只有同样的焦点。

 

 

图 2: DILAS 扫描振镜 DL.S20P 为了闭合回路的实现温度控制整合了单色温度探测器。


    半实时焊接


    为了检验焊接的特性,我们测试了一个小盒子形状的部件,它是汽车工业里很常见的部件(图3所示)。盖子是由PBT(聚丁烯对苯二酸盐)掺30%玻璃含量。我们使用压缩空气来涨破盒子来检验焊接的质量。

 


图 3: 激光焊接测试小盒子


    在开合回路里,处理的参数组合在一个很小的范围里变化。使用固定的焊接速度,激光功率必须要稳定在+-2%的范围里才能达到11.2帕的最大破坏气压。

 

    在闭合回路里,处理的温度能够从210度到280度变化,但对焊接的结果没太多的影响。处理的参数组合在一个很大的范围里变化,而且达到了11.7帕的最大破坏气压。激光穿透层的光学性质及温度探测器的测量范围会限制焊接的制程。近红外的穿透性决定了最大的焊接速度。扫描振镜及纠正色差平场透镜的工作面积范围限制了焊接部件的大小。

 

    熔接

 

    除了在电子产业半导体二极管激光器熔接能发挥它的优势外,它还很适合应用在连接薄膜太阳能电池。使用半导体二极管激光器焊的熔接节点有几个平方毫米大小(如图4所示)。激光熔接是一种非接触性的技术,而且它有精确地发送热量,热影响区很小的优点。这限制了熔接过程中太阳能电池产生的热应力。通常硅太阳能电池是由细线互相连接起来的,然后层叠在模块里。这种技术要求使用其他的设备来处理又长又易碎的细线。使用激光的话就能完全避免处理细线,直接把叠在一起的多层电池熔接起来。这些模块的层叠的顺序一般是玻璃,聚合乙烯乙烯醋酸酯 (EVA),镀锡带,太阳能单元,镀锡带和透明 PVF 底层(聚乙烯化合物氟化物)。前后二面的PV模块是对激光是透过的。熔接可以在层叠之前后之后完成。从剪力及连接性能来说,激光熔接点的质量超过其他连接技术。剪力是大概3倍高,然而热阻才是其他技术的14%[1]。

 

    不需要移动光学透镜及太阳能电池单元,扫描振镜可以焊接太阳能电池模块的所有节点。由于平场透镜的有限工作面积扫描振镜需要移动来处理模块的所有单元。


 

 

图 4: 激光熔接太阳能电池单元模块的连接


    图5闭合回路熔接过程的温度和激光功率对时间的曲线。温度一直上升到150毫秒,然后保持不变到200毫秒。

 

 

图5: 闭合回路熔接的温度曲线

 

    结论

 

    使用快速反应的激光光源及新型的光学部件,可以整合闭合回路温度探测器的控制及快速光线定位的扫描振镜。测试证明了更稳定的焊接过程及更大范围的参数组合。此技术大大降低了工业生产中废品率。并能在制程中连续记录下相关的处理参数,如温度功率等。

 

    References

 

[1]W.Horn, High power Diode lassers for industrial Applications, ICALEO(2007).
[2]E.jaeger, Diode lasers in Electronics and Plastics Production,6th Workshop Application of High Powr Diode lasers,Dresden Germany(2006)

 

    关于德国DILAS半导体激光公司

 

    德国DILAS半导体激光公司是全球最领先的高功率半导体激光器研发、设计和制造商,一直致力于为工业制造、国防、印刷、医疗以及科研市场提供最先进的产品和技术。DILAS于1994年成立于德国美因兹,是全球唯一在德国、美国和中国(南京)建有生产基地的高功率半导体公司。DILAS的一贯宗旨是最新、最好、最多,真诚为全球客户提供高功率、高性能、高亮度半导体激光器件以及光纤耦合半导体激光产品。


敬请登陆DILAS公司网站,了解更多产品信息:www.DILAS.com
更多产品技术及应用问题,敬请联系电话:021-68552216 电邮:sales@dilas-china.com.cn

 


 

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