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。
(,\+tr8r8 B]wk+8SMY. 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。
|s(FLF - CsR$c,8X. ^/>(6>S^M f}ji?p 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。
d"mkL- 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。
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:g SM#]H-3 应用和机遇
lv<*7BCp Zn+.;o)E< 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。
LmrfN?5 'F3f+YD t9` .bx8 dq6m>;` 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。
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g6 %lhEM}Sm 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)。
\ a<h/4#| Qj.#)R 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。
@V sG' J?1 uKR 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)。
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CtO 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。
:{v#'U/^ NO>w+-dGS 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。
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