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高功率二极管激光器用于激光加工

2009-05-27 14:54
科技潮人
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        过去的几年中,高功率二极管激光器(HPDL)已被成功地应用于工业生产中。除了用做固态激光器的泵浦源以外,它们还被用于材料加工中,例如焊接、软钎焊和热处理。此前,千瓦级的系统更为重要,因为它们可被用于金属薄片的焊接以及局部回火。而目前,更多的微型加工应用利用了功率为 500W的HPDL来进行加工。HPDL的光束质量高而且聚焦光斑小,这些特点让HPDL成为一项深具潜力的加工手段。

        二极管激光器可被用于直接加工中,或者以光纤耦合系统的形式应用到加工中。用于直接加工的激光光斑为矩形焦斑,而光纤耦合系统中常见的是轴向对称的光束(如图1)。对于功率在150W范围内的激光器来说,人们更多地使用被动制冷的光纤耦合激光系统。在半导体中产生的热量经过一个大型铜制散热片进行散热。对于散热片的冷却来说,可以使用电热元件,或者工业水冷系统。



        被动式制冷的二极管激光器优势在于它的设计简洁,而且所需的维护量很少。水冷二极管激光器需要使用的制冷剂,在被动式制冷的二极管激光器就不需要使用。在多数情况下,因为使用了大型散热器,所以被动式制冷的二极管激光器无法得到直接输出的激光,激光辐射必须通过光纤来传输,光纤直径在400到800m。这类系统得到的焦斑直径约在600到1200m,工作距离为100mm。在一些特殊应用中,也可以降低激光功率得到直径更小的光斑。由于二极管激光器的光束质量高,因此若使用200m的光纤,在工件上可以达到约22W的激光能量。若使用焦距更短的透镜,焦斑直径可达120m。
        在直接加工应用中,若所需的激光功率大于150W,可以使用主动冷却型激光器。这样,冷却水的质量就变得非常重要。所有相关的参数都必须通过集成探测器的检测,以确保系统的正常运转。
        
        应用和机遇

        除了二极管的技术设计外,实际的应用场合决定了焦斑的大小和几何形状。线状焦斑比圆形焦斑更适合进行热处理。而矩形焦斑只有在对其参数进行严格限制的情况下,才可以被用于轮廓加工。二极管激光器设计简洁,其传感器可以直接被集成到聚焦头,以便进行加工控制。在生产过程中使用高温计和CCD摄像头有助于对生产过程进行设置、控制和存档。利用这些设备,技术人员甚至可以修复产品缺陷,从而令加工的质量更为可靠。



        近几年来,人们更加重视利用激光透射来焊接聚合物塑料。与传统技术(例如热焊接、超声波焊接、振动焊接技术等)相比,激光焊接的优势在于能量传输无需直接接触,而且其热影响区域小。根据应用情况的不同,可以使用不同的方式来焊接,比如掩膜焊接、轮廓焊接、同步焊接或者准同步焊接。光纤耦合二极管激光器的光束质量很高,使得准同步焊接中扫描光学元件的使用成为可能。

        在聚合物塑料的焊接中,选择合适的激光波长是很重要的。在多数情况下,吸收率是由塑料中的添加剂决定的,比如塑料中的色素或者颜料,而不是由聚合物基体材料决定的。聚合物生产商提供了各种各样不同颜色的塑料,用于激光透射焊接。大部分添加剂对于激光的吸收范围比较窄。而且这些吸收范围并不能覆盖标准的激光波长范围(808,940和960nm)。

        HPDL在工业中的应用首先是对金属的热处理。应用实例包括导向杆的硬化处理、扭转弹簧的热处理;在这两项应用中,激光能量输入的局域化和可控性是巨大的优势。目前的HPDL技术已经能够加工外形很小的物体,而且准确性高,这就开拓了更有价值的应用前景。

        对于标签生产,具有微米级刀口的冲压工具已经被集成到印刷机上。这些刀口必须进行硬化处理,而且在处理的过程中,必须避免刀口背面的材料也被加热。因此,为了实现刀口上的均一硬化,集成了高温计的HPDL被用来进行加工。该激光系统在一个闭合的回路上加热,以保持刀口上的温度不变(如图2)。

        直径100~600m的钨丝在放进灯泡里以前必须先被重新整形。然而,钨丝是易碎金属,在整形过程中需要回火,当钨丝被加热的时候,它必须被盖上一层保护气体。使用HPDL,人们可以通过闭环过程把钨丝加热至回火温度,而且不会坏成形切刀。

        激光低温焊接是一项选择性焊接技术,它被用来加工电子产品中需要低温焊接的节点、传感器和开关。该技术的优势包括无接触式加热、合适的热量、高度确定的能量输入和易于操作。激光低温焊接被用于需要避免热影响的区域或者对加热很敏感的元件。这类的实例包括软质印刷电路(FPC,如图 3)。在汽车和电子工业中,软质印刷电路的应用日益广泛。过热将导致聚合物内部分层,从而破坏了零件。

        能量输入的局域化使技术人员能够以低温焊接小型元件,比如与细铜线相连的微型半导体。铜线的直径为75m。半导体上的衬垫有金镀层,大小为400×800m。由于加工过程非常精细,技术人员无法在材料上放上固体焊料或者焊泥,所以这里使用了直径为300m的焊线。激光的焦点必须准确地定位到衬垫上,因为它周围的塑料基底很容易吸收激光。对于接点的目测检查没有发现任何缺陷,X射线检查没有发现任何小孔和缺口。
        
        前景和展望


        在过去几年中,二极管激光系统的开发商努力创造输出功率和光束质量的新纪录。随着工业应用中激光系统的数量日益增加,其他的参数也变得更加重要。目前开发商们关注的新焦点在于激光可用性、可维护性,以及其工业设计,与此同时,成本还必须保持在低水平上。半导体的可靠性以及组装技术是实现这些市场需求的重要方面。

        首批的HPDL系统不带有集成的传感器,而目前几乎所有相关的系统参数都有相应的感应器,这些条件参数包括了冷却参数、激光器模块内湿度。集成到加工端部的监控设备的数量正在不断增加,这些监控设备包括了CCD摄像机和高温计。可选的监控功能还有功率测量和远程故障监控系统,这些功能不久都将变成标准配备。由于采用了智能堆栈管理技术,具有许多二极管的激光器的可靠性得到进一步的提高,即使有单个二极管报废,也能保证生产的顺利进行。

        目前可用的系统覆盖的应用范围很广。就算有些产品无法找到合适的激光器,技术人员也能够基于标准二极管模块来提供专门的解决方案。这方面的例子是多焦点系统的设计,该系统能够在同一个加工头上同时得到多达四个焊接点或者焊接线(如图4)。而且四个焦点之间的距离和相对位置是可以进行大范围调整的。

        由于HPDL的功率高达500W,因此它的应用领域相当广泛。它们的焦斑尺寸很小,加工区域可达到几百个微米。塑料焊接、低温焊接和热处理等加工过程在汽车工业、医疗设备和电子产品等行业都有着巨大的应用潜力。此外,对操作过程和加工参数的监控大大提高了HPDL在工业应用中的可靠性。
(编辑:曾聪)
 

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