采用掃描振鏡與高溫計(jì)的激光焊接技術(shù)

德國(guó)DILAS新型掃描振鏡，融合了同軸溫度探測(cè)器在準(zhǔn)同步材料表面溫度控制以及快速光線掃描的兩大優(yōu)勢(shì)。該掃描振鏡不但能使用在準(zhǔn)同步聚合物焊接中，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。在焊接過(guò)程中，溫度控制過(guò)程穩(wěn)定、可靠。

高溫計(jì)控制的激光過(guò)程

與其他類型的激光器相比，半導(dǎo)體激光器能將能量（電流）直接轉(zhuǎn)化為激光輻射。半導(dǎo)體激光器允許對(duì)激光能量進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，這對(duì)于使用高溫計(jì)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(yīng)用中，可以把高溫計(jì)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(qū)域探測(cè)同軸熱輻射。

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

為確定處理制程的絕對(duì)溫度，必須要知道材料的一些屬性，如輻射系數(shù)及表面特性。然而對(duì)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(duì)大部分應(yīng)用來(lái)講，一個(gè)相應(yīng)的溫度測(cè)量對(duì)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(jì)的控制器能存儲(chǔ)焊接溫度、激光輸出功率等處理數(shù)據(jù)，以供存檔和分析使用。因此，高溫計(jì)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(jì)

當(dāng)需要對(duì)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(yīng)用是聚合物的準(zhǔn)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(duì)高溫計(jì)的使用產(chǎn)生一些嚴(yán)重的后果。標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)范圍內(nèi)工作。因?yàn)楦邷赜?jì)和激光器的波長(zhǎng)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(jì)所探測(cè)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(xiàn)閉環(huán)過(guò)程或者甚至是溫度監(jiān)控了。但是，通過(guò)特別設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)糾正色差的平場(chǎng)透鏡，從而使高溫計(jì)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(jì)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(dǎo)體激光系統(tǒng)配合使用，隨系統(tǒng)還附有用于振鏡和高溫計(jì)控制的成熟的軟件。

圖1：高溫計(jì)和激光在標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(jì)。

準(zhǔn)同步焊接

為了檢驗(yàn)焊接的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)盒子形狀的測(cè)試部件，這種部件在汽車行業(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(duì)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(yàn)焊接的質(zhì)量。

圖 3：激光焊接測(cè)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(wěn)定性，這樣才能達(dá)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(duì)焊接結(jié)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(jì)的測(cè)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(qū)的透射決定了所能實(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(shì)外，也能在薄膜太陽(yáng)能電池焊接應(yīng)用中大顯身手。使用連續(xù)半導(dǎo)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(qū)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(yīng)力。

通常硅太陽(yáng)能電池互相連接成一條細(xì)線，然后層疊在模塊里。這種技術(shù)要求使用額外的設(shè)備來(lái)處理又長(zhǎng)、又易碎的細(xì)線。采用激光焊接，能通過(guò)直接焊接疊層，完全避免對(duì)細(xì)線的處理。這些模塊的層疊順序一般是玻璃、聚合乙烯乙烯醋酸酯 （EVA）、鍍錫帶、太陽(yáng)能單元、鍍錫帶和透明 PVF 底層(聚乙烯化合物氟化物)。PV模塊的前面和后面能夠透射激光。焊接可以在層疊之前或之后進(jìn)行。關(guān)于焊點(diǎn)的拉力和接觸電阻，激光焊點(diǎn)的質(zhì)量超過(guò)其他連接技術(shù)。激光焊點(diǎn)的拉力比其他方法高出3倍，而熱阻只有其他方法的14%[1]。

不需要移動(dòng)光學(xué)透鏡及太陽(yáng)能電池單元，掃描振鏡可以焊接太陽(yáng)能電池模塊上的所有連接點(diǎn)。由于平場(chǎng)透鏡有限的工作面積，必須要移動(dòng)掃描振鏡以處理模塊的所有單元。

圖5顯示了閉環(huán)焊接過(guò)程中，溫度和激光功率相對(duì)于時(shí)間的變化曲線。溫度上升了150ms后，保持了200ms的穩(wěn)定，以將熱影響降至最小。

圖 4：太陽(yáng)能電池單元模塊中的激光焊接


圖5：閉環(huán)焊接過(guò)程中的溫度曲線

結(jié)論

使用快速反應(yīng)的激光光源及新開(kāi)發(fā)的光學(xué)元件，可以將閉環(huán)高溫計(jì)控制和用掃描振鏡實(shí)現(xiàn)的快速光束定位結(jié)合在一起。測(cè)試結(jié)果顯示了一個(gè)具有更寬處理溫度范圍的、更穩(wěn)定的焊接過(guò)程。該技術(shù)為工業(yè)制造開(kāi)辟了一種新的加工方法，能大大減少生產(chǎn)中產(chǎn)出的廢料。

參考文獻(xiàn)

　　[1]W.Horn, High power Diode lassers for industrial Applications, ICALEO(2007).
　　[2]E.jaeger, Diode lasers in Electronics and Plastics Production,6th Workshop Application of High Powr Diode lasers,Dresden Germany(2006)