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0431-81702023
光學工程
光束整形在激光塑料焊接中的應用

激光聚合物焊接是一種無振動、非接觸且非常精確的焊接塑料部件的方式。如今,激光透射焊接有四種較為成熟的方法(圖1)。在輪廓焊接中,一束激光投射到待焊接工件上,接著激光束沿著待焊接區域的輪廓掃描一周,兩個夾緊的塑料部件上被掃描的區域由此被融化并連接在一起。在準同步焊接中,兩個掃描鏡以非常高的速度沿著輪廓多次偏轉激光光斑。在這種方法中,整個圖案的加熱和連接幾乎是同步完成的。在同步焊接中,完全相同形狀的圖案輪廓被激光光束融化并同時連接。在掩膜焊接中,線狀的激光束穿過反射掩膜,掩膜的陰影區下方是不需要連接的區域。


 

M形強度分布的圓形平頂光束 

在輪廓焊接和準同步焊接中,玻璃光纖末端面被相應地放大成像到工件上。通常情況下為平頂光束。不過,圓形平頂光束沿著焊接輪廓進行連續引導時,將造成引導方向上不均勻的能量輸入,即中間的能量輸入比邊緣的要高。因此,在激光焊接聚合物中使用圓形平頂強度光束會使得焊接過程中沿著焊縫方向的溫度分布不均勻。這就對工藝窗口造成了限制。 

對輪廓焊接和準同步焊接來說, M形光斑強度的分布更為方便。顧名思義,M形強度分布的圓形平頂光束成像在工件上的光斑在邊緣的強度要高于中間位置。這就能確保焊接過程中沿著焊縫方向的溫度分布均勻。圖2顯示了含有0.5wt%碳黑的聚丙烯中的M形強度分布的光斑和相應的熱影響區。這里的透熱深度是指沿著光束引導方向上的透熱深度。


 

利用折射或衍射光束整形技術獲取M形強度分布的激光光斑。通過折射方法,在光纖耦合激光模塊中集成特定的雙折射透鏡,以實現光纖末端面的M形強度分布。這種方法的優點是光功率損失低。不過實現的強度分布只是近似M形。 

在衍射方法中, 衍射光學元件(DOE)定位在準直激光束的傳播路徑上。衍射光學元件表面的極小的結構能按照預想的形狀和強度設置來衍射激光光束(圖3)。衍射方法的優點在于可以修改激光光斑的大小和強度。此外,衍射光學元件不需光學對準。因此,可以容易、快速地通過更換衍射光學元件來改變焊縫寬度,而無需更改任何透鏡和工作距離。衍射技術的缺點是相比折射方法具有較高的光損耗,并且根據不同的要求,需要更高亮度的激光源——光纖激光器。

 

 

均勻的激光線 

通過微透鏡陣列可以將任何準直激光束分成多個小射束,生成均勻的激光線。在陣列后的每個束波被聚焦形成激光線。所有這些聚焦的束波疊加形成了均勻的激光線。在掩膜焊接中,均勻激光線用于焊接在一個平面內的任何形狀。 

高度定制的光束形狀 

如果要求加工時間短和/或不能移動部件,那么應該優先選擇使用同步焊接。根據焊接形狀的復雜性,可以使用折射或衍射光學元件。簡單的形狀例如環形,可以通過特殊的透鏡來形成,而更復雜的形狀,例如橢圓形、正方形, 原則上可以通過使用衍射光學元件生成2D形狀。每個焊接形狀通常都是根據客戶的需求定制的,同步焊接的衍射光學元件也是如此。由于要在玻璃基板的表面蝕刻特定的衍射結構,衍射光學元件的價格不菲,但是可以承受。此外,衍射光學元件衍射產生的光束形狀是固定的。這一限制可以通過使用類似程控衍射光學元件——硅基液晶(LCoS)基板來克服。 

最近,高反射LCoS基板已成功應用在激光聚合物焊接中(圖4)。該基板可以承受激光功率高達100瓦以上的輻照。此外,線性偏振激光束的形狀和強度分布可以在幾秒鐘內得到修改,無需更改任何設置。修改后相當于快速調整了焊縫寬度和焊接過程中的溫度分布優化。

 

小結 

折射和衍射光束整形技術已經在塑料激光焊接中找到用武之地。在輪廓焊接和準同步焊接中,M形強度分布的圓形平頂光束可以確保在焊接過程中沿著焊縫的溫度分布保持均勻。同步焊接中,可以通過衍射光學元件生成任何2D 形狀。未來,LCoS基板將賦予激光光束整形技術更大的靈活性,從而促進激光聚合物焊接的發展。


 

 

 


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