高功率掺铒有源光纤激光器为塑料焊接开辟新天地

2013-05-13 09:38

　　——目前科学家们正在开发一种高亮度激光光源，以便利用激光技术进行塑料焊接，从而提高形状复杂的零部件生产速度，这或将为聚合物产品制造带来重大进步。

　　由欧盟资助的"利用高亮度光束消除激光聚合物焊接工艺限制"(Polybright)项目主要关注二极管、光纤激光器（近红外光谱范围）以及灵活的光束成形和高速扫描技术的应用。该技术预计将使可重构组装机器能在次秒级周期时间内适应复杂几何图形的焊接需求，还能为金属和陶瓷机器提供附加制造功能（3D打印）。

　　为了实现这一目标，科学家们开发出高功率掺铒有源光纤激光器。在FP7资助的项目中，科学家们发表了最新研究成果："已设计出一种光束扩展器和用于NIR范围内的镜头组件涂层。接下来将为高分辨率掩模焊接的高度照准激光线开发新型光学器件，以及空间光调制器(SLM)。开发先进的智能功率控制(IPC)系统将使我们能够更加灵活地使用准同步激光焊接(QSLW)工艺，以缩短复杂几何图形的焊接时间。此外，采用多功能光束成形系统也可以降低时间和费用成本。利用SLM装置对在数秒内实现激光束形状调整进行了成功演示"。

　　在先前创新成就的基础上，科学家们为六种不同的激光焊接类型建立了实验装置并进行评估，还分别针对医疗、汽车行业生产开发了首批测试案例样本和原型。

　　Polybright研究项目自2009年开始启动，由德国Fraunhofer激光技术研究所ILT管理，预计会给塑料零部件制造中的高亮度激光器带来重大影响，在提高产量同时降低成本。这些技术进步将不仅惠及聚合物制造商，同时也有益于激光行业本身。

以上由Viki翻译 Alex校对

　　激光塑料焊接技术及典型应用

　　激光焊接技术在金属材料的加工领域应用广泛，其优异的性能早已被各个应用行业所接受，成果显著。随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑，塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料，被日益广泛地应用在各行业的零部件设计、制造上，传统的金属部件越来越多地被拥有同样工作性能的塑料部件替代，同时对塑料零件之间的焊接连接技术和焊接质量也提出了更高的要求，这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。

　　激光塑料焊接的原理

　　激光塑料焊接利用透射焊接原理(原理图见图1)，选用红外激光作为焊接热源，一般以800nm-1100nm波段的激光为主，这一波段的激光对于大部分可焊接的透明或有色热熔塑料来说吸收率比较低，激光穿过这些材料时能量损失很少。焊接时叠加在一起的上下两层材料需要满足一定的要求：上层材料为透射区，对于焊接所采用的激光应具有较高的透过率；而下层材料为热作用区，需要对激光具有较高的吸收率。满足了以上的两个条件就可以保证激光以较少的能量损耗透过上层材料到达下层材料的表面，由于下层材料具有较高的吸收率，激光在两层材料的结合面处被吸收并产生热量，使得该处的塑料熔化，在适当压力作用下发生二次聚合，这样冷却后在上下两层材料之间形成焊缝而使它们连结在一起。

图1 激光透射焊接原理

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