采用掃描振鏡與高溫計的激光焊接技術(shù)

德國DILAS新型掃描振鏡，融合了同軸溫度探測器在準同步材料表面溫度控制以及快速光線(xiàn)掃描的兩大優(yōu)勢。該掃描振鏡不但能使用在準同步聚合物焊接中，且能用在同一工作面內非機械定位的某些多焊點(diǎn)回流焊。在焊接過(guò)程中，溫度控制過(guò)程穩定、可靠。

高溫計控制的激光過(guò)程

與其他類(lèi)型的激光器相比，半導體激光器能將能量（電流）直接轉化為激光輻射。半導體激光器允許對激光能量進(jìn)行快速調節，這對于使用高溫計進(jìn)行閉環(huán)溫度控制的快速加工過(guò)程至關(guān)重要。在聚合物的輪廓焊接、熔接及熱處理應用中，可以把高溫計傳感器與加工用的光學(xué)元件整合在一起，從而能從加工區域探測同軸熱輻射。

為避免高溫計與激光源相互干擾，高溫計的探測器的敏感波長(cháng)必須與激光源的波長(cháng)不同。用于材料加工中的高溫計，大多使用在1800～2100nm波長(cháng)范圍內高度敏感的探測器，而半導體激光器的波長(cháng)通常為810nm或980nm。

為確定處理制程的絕對溫度，必須要知道材料的一些屬性，如輻射系數及表面特性。然而對于大部分過(guò)程而言，材料的這些屬性并沒(méi)有確定。例如在軟焊過(guò)程中，焊料的狀態(tài)是從固態(tài)變到液態(tài)、然后又回到固態(tài)，因此焊料的光學(xué)屬性也在變化。在聚合物焊接過(guò)程中，熱輻射被玻璃、顏料或其他填充材料所吸收或散射。

對大部分應用來(lái)講，一個(gè)相應的溫度測量對于開(kāi)環(huán)或閉環(huán)過(guò)程控制來(lái)講已經(jīng)足夠了。高溫計的控制器能存儲焊接溫度、激光輸出功率等處理數據，以供存檔和分析使用。因此，高溫計是用于質(zhì)量控制和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)有用工具。

掃描振鏡與高溫計

當需要對激光斑進(jìn)行快速定位或移動(dòng)時(shí)，一種常用的方法是使用掃描振鏡。典型的應用是聚合物的準同步焊接或回流焊。反射鏡使激光束偏離透鏡的光軸，并使光束不再與光軸平行。這會(huì )對高溫計的使用產(chǎn)生一些嚴重的后果。標準平場(chǎng)透鏡的光學(xué)屬性，如焦距及防反射涂層只能在很小的特定波長(cháng)范圍內工作。因為高溫計和激光器的波長(cháng)不同，色差將致使兩者的焦點(diǎn)位置并不相同（見(jiàn)圖1）。也就是說(shuō)，在加工過(guò)程中，高溫計所探測到的輻射并不是來(lái)自激光的焦點(diǎn)處。因而，這就不可能實(shí)現閉環(huán)過(guò)程或者甚至是溫度監控了。但是，通過(guò)特別設計，能夠實(shí)現一個(gè)糾正色差的平場(chǎng)透鏡，從而使高溫計和激光的焦點(diǎn)重合。圖2顯示了DILAS的掃描振鏡DL.S20P，它整合了單色高溫計和糾正色差的平場(chǎng)透鏡。該掃描振鏡與DILAS公司生產(chǎn)的COMPACT光纖耦合半導體激光系統配合使用，隨系統還附有用于振鏡和高溫計控制的成熟的軟件。

圖1：高溫計和激光在標準的平場(chǎng)透鏡（左）下有不同的焦點(diǎn)，而糾正色差的平場(chǎng)透鏡（右）實(shí)現了兩者的焦點(diǎn)重合。


圖 2：DILAS 掃描振鏡 DL.S20P 為閉環(huán)溫度控制整合了軸向單色高溫計。

準同步焊接

為了檢驗焊接的特性，我們設計了一個(gè)盒子形狀的測試部件，這種部件在汽車(chē)行業(yè)中最為常見(jiàn)（見(jiàn)圖3）。盒蓋是由摻雜了30%玻璃的PBT（聚丁烯對苯二酸鹽）制成的。我們使用壓縮空氣來(lái)漲破盒子來(lái)檢驗焊接的質(zhì)量。

圖 3：激光焊接測試盒

在開(kāi)環(huán)過(guò)程中，處理溫度變化范圍很小。使用固定的焊接速度，激光功率必須要保證±2％的穩定性，這樣才能達到大約11.2帕的最大破壞氣壓。

在閉環(huán)過(guò)程中，處理溫度能夠從210℃變化到280℃，對焊接結果沒(méi)有太大的影響。處理溫度變化范圍比在開(kāi)環(huán)過(guò)程中大，并且破壞氣壓超過(guò)11.7帕。在高溫計的測量范圍中，焊接過(guò)程會(huì )受到激光透射部件的光學(xué)屬性的限制。在近紅外區的透射決定了所能實(shí)現的最大焊接速度。掃描振鏡及糾正色差平場(chǎng)透鏡的工作面積范圍，限制了焊接部件的大小。

焊接

用高功率半導體激光器實(shí)施的激光焊接，除了在電子制造領(lǐng)域具備優(yōu)勢外，也能在薄膜太陽(yáng)能電池焊接應用中大顯身手。使用連續半導體激光器焊接，能獲得幾平方毫米大小的焊點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。激光焊接是一種非接觸性焊接技術(shù)，而且能精確散熱，熱影響區非常小。這限制了焊接過(guò)程中太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的熱應力。

通常硅太陽(yáng)能電池互相連接成一條細線(xiàn)，然后層疊在模塊里。這種技術(shù)要求使用額外的設備來(lái)處理又長(cháng)、又易碎的細線(xiàn)。采用激光焊接，能通過(guò)直接焊接疊層，完全避免對細線(xiàn)的處理。這些模塊的層疊順序一般是玻璃、聚合乙烯乙烯醋酸酯 （EVA）、