過去的幾年中，高功率二極管激光器（HPDL）已被成功地應用于工業(yè)生產(chǎn)中。除了用做固態(tài)激光器的泵浦源以外，它們還被用于材料加工中，例如焊接、軟釬焊和熱處理。此前，千瓦級的系統(tǒng)更為重要，因為它們可被用于金屬薄片的焊接以及局部回火。而目前，更多的微型加工應用利用了功率為 500W的HPDL來進行加工。HPDL的光束質(zhì)量高而且聚焦光斑小，這些特點讓HPDL成為一項深具潛力的加工手段。
二極管激光器可被用于直接加工中，或者以光纖耦合系統(tǒng)的形式應用到加工中。用于直接加工的激光光斑為矩形焦斑，而光纖耦合系統(tǒng)中常見的是軸向對稱的光束（如圖1）。對于功率在150W范圍內(nèi)的激光器來說，人們更多地使用被動制冷的光纖耦合激光系統(tǒng)。在半導體中產(chǎn)生的熱量經(jīng)過一個大型銅制散熱片進行散熱。對于散熱片的冷卻來說，可以使用電熱元件，或者工業(yè)水冷系統(tǒng)。
被動式制冷的二極管激光器優(yōu)勢在于它的設計簡潔，而且所需的維護量很少。水冷二極管激光器需要使用的制冷劑，在被動式制冷的二極管激光器就不需要使用。在多數(shù)情況下，因為使用了大型散熱器，所以被動式制冷的二極管激光器無法得到直接輸出的激光，激光輻射必須通過光纖來傳輸，光纖直徑在400到800m。這類系統(tǒng)得到的焦斑直徑約在600到1200m，工作距離為100mm。在一些特殊應用中，也可以降低激光功率得到直徑更小的光斑。由于二極管激光器的光束質(zhì)量高，因此若使用200m的光纖，在工件上可以達到約22W的激光能量。若使用焦距更短的透鏡，焦斑直徑可達120m。
在直接加工應用中，若所需的激光功率大于150W，可以使用主動冷卻型激光器。這樣，冷卻水的質(zhì)量就變得非常重要。所有相關的參數(shù)都必須通過集成探測器的檢測，以確保系統(tǒng)的正常運轉。
應用和機遇
除了二極管的技術設計外，實際的應用場合決定了焦斑的大小和幾何形狀。線狀焦斑比圓形焦斑更適合進行熱處理。而矩形焦斑只有在對其參數(shù)進行嚴格限制的情況下，才可以被用于輪廓加工。二極管激光器設計簡潔，其傳感器可以直接被集成到聚焦頭，以便進行加工控制。在生產(chǎn)過程中使用高溫計和CCD攝像頭有助于對生產(chǎn)過程進行設置、控制和存檔。利用這些設備，技術人員甚至可以修復產(chǎn)品缺陷，從而令加工的質(zhì)量更為可靠。
近幾年來，人們更加重視利用激光透射來焊接聚合物塑料。與傳統(tǒng)技術（例如熱焊接、超聲波焊接、振動焊接技術等）相比，激光焊接的優(yōu)勢在于能量傳輸無需直接接觸，而且其熱影響區(qū)域小。根據(jù)應用情況的不同，可以使用不同的方式來焊接，比如掩膜焊接、輪廓焊接、同步焊接或者準同步焊接。光纖耦合二極管激光器的光束質(zhì)量很高，使得準同步焊接中掃描光學元件的使用成為可能。
在聚合物塑料的焊接中，選擇合適的激光波長是很重要的。在多數(shù)情況下，吸收率是由塑料中的添加劑決定的，比如塑料中的色素或者顏料，而不是由聚合物基體材料決定的。聚合物生產(chǎn)商提供了各種各樣不同顏色的塑料，用于激光透射焊接。大部分添加劑對于激光的吸收范圍比較窄。而且這些吸收范圍并不能覆蓋標準的激光波長范圍（808，940和960nm）。
HPDL在工業(yè)中的應用首先是對金屬的熱處理。應用實例包括導向桿的硬化處理、扭轉彈簧的熱處理；在這兩項應用中，激光能量輸入的局域化和可控性是巨大的優(yōu)勢。目前的HPDL技術已經(jīng)能夠加工外形很小的物體，而且準確性高，這就開拓了更有價值的應用前景。
對于標簽生產(chǎn)，具有微米級刀口的沖壓工具已經(jīng)被集成到印刷機上。這些刀口必須進行硬化處理，而且在處理的過程中，必須避免刀口背面的材料也被加熱。因此，為了實現(xiàn)刀口上的均一硬化，集成了高溫計的HPDL被用來進行加工。該激光系統(tǒng)在一個閉合的回路上加熱，以保持刀口上的溫度不變（如圖2）。
直徑100~600m的鎢絲在放進燈泡里以前必須先被重新整形。然而，鎢絲是易碎金屬，在整形過程中需要回火，當鎢絲被加熱的時候，它必須被蓋上一層保護氣體。使用HPDL，人們可以通過閉環(huán)過程把鎢絲加熱至回火溫度，而且不會壞成形切刀。
激光低溫焊接是一項選擇性焊接技術，它被用來加工電子產(chǎn)品中需要低溫焊接的節(jié)點、傳感器和開關。該技術的優(yōu)勢包括無接觸式加熱、合適的熱量、高度確定的能量輸入和易于操作。激光低溫焊接被用于需要避免熱影響的區(qū)域或者對加熱很敏感的元件。這類的實例包括軟質(zhì)印刷電路（FPC，如圖 3）。在汽車和電子工業(yè)中，軟質(zhì)印刷電路的應用日益廣泛。過熱將導致聚合物內(nèi)部分層，從而破壞了零件。
能量輸入的局域化使技術人員能夠以低溫焊接小型元件，比如與細銅線相連的微型半導體。銅線的直徑為75m。半導體上的襯墊有金鍍層，大小為400×800m。由于加工過程非常精細，技術人員無法在材料上放上固體焊料或者焊泥，所以這里使用了直徑為300m的焊線。激光的焦點必須準確地定位到襯墊上，因為它周圍的塑料基底很容易吸收激光。對于接點的目測檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，X射線檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何小孔和缺口。
前景和展望
在過去幾年中，二極管激光系統(tǒng)的開發(fā)商努力創(chuàng)造輸出功率和光束質(zhì)量的新紀錄。隨著工業(yè)應用中激光系統(tǒng)的數(shù)量日益增加，其他的參數(shù)也變得更加重要。目前開發(fā)商們關注的新焦點在于激光可用性、可維護性，以及其工業(yè)設計，與此同時，成本還必須保持在低水平上。半導體的可靠性以及組裝技術是實現(xiàn)這些市場需求的重要方面。
首批的HPDL系統(tǒng)不帶有集成的傳感器，而目前幾乎所有相關的系統(tǒng)參數(shù)都有相應的感應器，這些條件參數(shù)包括了冷卻參數(shù)、激光器模塊內(nèi)濕度。集成到加工端部的監(jiān)控設備的數(shù)量正在不斷增加，這些監(jiān)控設備包括了CCD攝像機和高溫計。可選的監(jiān)控功能還有功率測量和遠程故障監(jiān)控系統(tǒng)，這些功能不久都將變成標準配備。由于采用了智能堆棧管理技術，具有許多二極管的激光器的可靠性得到進一步的提高，即使有單個二極管報廢，也能保證生產(chǎn)的順利進行。
目前可用的系統(tǒng)覆蓋的應用范圍很廣。就算有些產(chǎn)品無法找到合適的激光器，技術人員也能夠基于標準二極管模塊來提供專門的解決方案。這方面的例子是多焦點系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)能夠在同一個加工頭上同時得到多達四個焊接點或者焊接線（如圖4）。而且四個焦點之間的距離和相對位置是可以進行大范圍調(diào)整的。#p#分頁標題#e#
由于HPDL的功率高達500W，因此它的應用領域相當廣泛。它們的焦斑尺寸很小，加工區(qū)域可達到幾百個微米。塑料焊接、低溫焊接和熱處理等加工過程在汽車工業(yè)、醫(yī)療設備和電子
產(chǎn)品等行業(yè)都有著巨大的應用潛力。此外，對操作過程和加工參數(shù)的監(jiān)控大大提高了HPDL在工業(yè)應用中的可靠性。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
