新型激光連接法——用溫度探測器及掃描振鏡進(jìn)行在線過程控制

1、新型激光連接法用溫度探測器及掃描振鏡進(jìn)行在線過程控制    作者：WolfgangHorn在德國Darmstardt工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)物理。1995年加入德國Mannheim的德國焊接研究院(SLV),1997年到2002年Wolfgang負(fù)責(zé)制程部的研發(fā)工作。2002年他加入DILASDiodenlaserGmbH,負(fù)責(zé)工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)品。前言該掃描振鏡的新型設(shè)計(jì)是具有由同軸溫度探測器進(jìn)行半實(shí)時(shí)材料表面溫度控制及快速光線掃描的二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它不但能使用在半實(shí)時(shí)塑料焊接而且能用在同一工作面內(nèi)非機(jī)械定位的某些多焊點(diǎn)回流焊。溫度控制過程具有高穩(wěn)定性的 

2、0;  作者：Wolfgang Horn 在德國Darmstardt 工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)物理。1995年加入德國Mannheim的德國焊接研究院 (SLV), 1997年到2002年Wolfgang負(fù)責(zé)制程部的研發(fā)工作。2002年他加入DILAS Diodenlaser GmbH,負(fù)責(zé)工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)品。     前言     該掃描振鏡的新型設(shè)計(jì)是具有由同軸溫度探測器進(jìn)行半實(shí)時(shí)材料表面溫度控制及快速光線掃描的二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它不但能使用在半實(shí)時(shí)塑料焊接而且能用在同一工作面內(nèi)非機(jī)械定位的某些多焊點(diǎn)回流焊。溫度控制過程具

3、有高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。     溫度探測器控制激光過程     與其他激光種類相比較，半導(dǎo)體二極管激光器是直接由能量（電流）轉(zhuǎn)化成激光。它允許對(duì)激光能量進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，這是快速制程的必要條件如使用溫度探測器的閉合回路溫度控制。塑料的輪廓焊接，熔接及熱處理都可以把溫度探測器與光學(xué)焊接頭整合在一起，從而能同軸測量處理區(qū)域的熱輻射。     為避免激光源干擾溫度探測器，探測器必須對(duì)不同光源的波長高度靈敏。材料處理一般使用的探測器是對(duì)1800nm-2100nm靈敏，然而半導(dǎo)體二極管激光器

4、光源是810nm或980nm。     為確定處理制程的絕對(duì)溫度，材料的特性如發(fā)射系數(shù)及表面特性必須要知道。但大部分制程它們是不能確定的。例如在熔接過程，焊料的狀態(tài)是從固體變到液體又回到固體的，所以它的光學(xué)性質(zhì)一直在變化。在塑料焊接制程中，熱輻射的吸收或散射是由填充材料如玻璃，顏料或其他東西決定的。     對(duì)大部分的應(yīng)用來說相應(yīng)的溫度測量對(duì)開或閉回路制程控制來說已經(jīng)足夠了。溫度探測器的控制器能儲(chǔ)存處理的數(shù)據(jù)，如焊接溫度激光輸出以作為分析及存檔之用。因此這是對(duì)質(zhì)量控制及產(chǎn)品研發(fā)很重要的工具。  

5、   掃描振鏡和溫度探測器     掃描振鏡普遍使用于快速定位及移動(dòng)激光光斑。典型的應(yīng)用是半實(shí)時(shí)塑料焊接及回流焊。鏡子偏離透鏡的光軸來移動(dòng)激光光束，并使光束不再與光軸平行。這對(duì)使用溫度探測器導(dǎo)致了很嚴(yán)重的后果。標(biāo)準(zhǔn)平場透鏡的光學(xué)性質(zhì)如焦距及防反射涂層只能在很小的專用波長范圍工作。不同波長的溫度探測器及激光的焦點(diǎn)因色差而不一致。（圖1所示）這意味著在溫度探測器工作過程測到的輻射不是從激光焦點(diǎn)處而是從別的地方。閉合回路制程或甚至溫度監(jiān)測就不可能了。但使用一個(gè)特別設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡就能糾正色差使得溫度探測器跟激光的焦點(diǎn)一致。圖2是使用了糾正色差

6、的平場透鏡及整合了單色溫度探測器的DILAS掃描振鏡DL.S20P。此掃描振鏡與DILAS公司生產(chǎn)的COMPACT光纖耦合半導(dǎo)體二極管激光器系統(tǒng)配合使用，隨系統(tǒng)還附有對(duì)其及溫度探測器控制的軟件。  圖1: 溫度探測器和激光在標(biāo)準(zhǔn)的平場透鏡（左）下有不同的焦點(diǎn)，然而糾正色差的平場透鏡（右）只有同樣的焦點(diǎn)。  圖 2: DILAS 掃描振鏡 DL.S20P 為了閉合回路的實(shí)現(xiàn)溫度控制整合了單色溫度探測器。    半實(shí)時(shí)焊接    為了檢驗(yàn)焊接的特性，我們測試了一個(gè)小盒子形狀的部件，它是汽車工業(yè)里很常

7、見的部件（圖3所示）。蓋子是由PBT（聚丁烯對(duì)苯二酸鹽）摻30%玻璃含量。我們使用壓縮空氣來漲破盒子來檢驗(yàn)焊接的質(zhì)量。 圖 3:激光焊接測試小盒子    在開合回路里，處理的參數(shù)組合在一個(gè)很小的范圍里變化。使用固定的焊接速度，激光功率必須要穩(wěn)定在+-2%的范圍里才能達(dá)到11.2帕的最大破壞氣壓。     在閉合回路里，處理的溫度能夠從210度到280度變化，但對(duì)焊接的結(jié)果沒太多的影響。處理的參數(shù)組合在一個(gè)很大的范圍里變化，而且達(dá)到了11.7帕的最大破壞氣壓。激光穿透層的光學(xué)性質(zhì)及溫度探測器的測量范圍會(huì)限制焊接的制程

8、。近紅外的穿透性決定了最大的焊接速度。掃描振鏡及糾正色差平場透鏡的工作面積范圍限制了焊接部件的大小。     熔接     除了在電子產(chǎn)業(yè)半導(dǎo)體二極管激光器熔接能發(fā)揮它的優(yōu)勢外，它還很適合應(yīng)用在連接薄膜太陽能電池。使用半導(dǎo)體二極管激光器焊的熔接節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)平方毫米大小（如圖4所示）。激光熔接是一種非接觸性的技術(shù)，而且它有精確地發(fā)送熱量，熱影響區(qū)很小的優(yōu)點(diǎn)。這限制了熔接過程中太陽能電池產(chǎn)生的熱應(yīng)力。通常硅太陽能電池是由細(xì)線互相連接起來的，然后層疊在模塊里。這種技術(shù)要求使用其他的設(shè)備來處理又長又易碎的細(xì)線。使用激光的話就

9、能完全避免處理細(xì)線，直接把疊在一起的多層電池熔接起來。這些模塊的層疊的順序一般是玻璃，聚合乙烯乙烯醋酸酯 （EVA），鍍錫帶，太陽能單元，鍍錫帶和透明PVF 底層(聚乙烯化合物氟化物)。前后二面的PV模塊是對(duì)激光是透過的。熔接可以在層疊之前后之后完成。從剪力及連接性能來說，激光熔接點(diǎn)的質(zhì)量超過其他連接技術(shù)。剪力是大概3倍高，然而熱阻才是其他技術(shù)的14%1。     不需要移動(dòng)光學(xué)透鏡及太陽能電池單元，掃描振鏡可以焊接太陽能電池模塊的所有節(jié)點(diǎn)。由于平場透鏡的有限工作面積掃描振鏡需要移動(dòng)來處理模塊的所有單元。  圖 4: 激光熔接太陽能電

10、池單元模塊的連接    圖5閉合回路熔接過程的溫度和激光功率對(duì)時(shí)間的曲線。溫度一直上升到150毫秒，然后保持不變到200毫秒。  圖5: 閉合回路熔接的溫度曲線     結(jié)論     使用快速反應(yīng)的激光光源及新型的光學(xué)部件，可以整合閉合回路溫度探測器的控制及快速光線定位的掃描振鏡。測試證明了更穩(wěn)定的焊接過程及更大范圍的參數(shù)組合。此技術(shù)大大降低了工業(yè)生產(chǎn)中廢品率。并能在制程中連續(xù)記錄下相關(guān)的處理參數(shù)，如溫度功率等。     Re

11、ferences 1W.Horn, High power Diode lassers for industrial Applications, ICALEO(2007).2E.jaeger, Diode lasers in Electronics and Plastics Production,6th Workshop Application of High Powr Diode lasers,Dresden Germany(2006)     關(guān)于德國DILAS半導(dǎo)體激光公司     德國DILAS半導(dǎo)體激光公司是全球最領(lǐng)先的高功率半導(dǎo)體激光器研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造商，一直致力于為工業(yè)制造、國防、印刷、醫(yī)療以及科研市場提供最先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)。DILAS于1994年成立于德國美因