高功率二極管激光器在許多應(yīng)用領(lǐng)域都確立了其地位，例如：焊接聚合物，淬火，激光上釉，熱傳導(dǎo)焊，表面熔覆，和釬焊過(guò)程。由于其模塊化的裝置設(shè)計(jì)，多用途的二極管激光器能夠輸出幾乎各種外形的激光光束。直線或者矩形的焦點(diǎn)最適合于大面積的聚合物焊接，以及實(shí)現(xiàn)多束激光的設(shè)計(jì)方案。而圓形的激光則被用來(lái)進(jìn)行其他的塑料焊接，這些應(yīng)用要求很高的靈活性和可靠性。

作為傳統(tǒng)的塑料焊接方法(比如超聲波焊接，振動(dòng)焊接，或者熱工具焊接)的備選方案，二極管激光結(jié)合振鏡掃描系統(tǒng)可以被用來(lái)焊接絕大多數(shù)的熱塑性塑料。使用這項(xiàng)技術(shù)，熱塑性塑料可以被快速而可靠的進(jìn)行焊接，而且不受焊接區(qū)域的尺寸和分布的限制。同時(shí)，還可以避免對(duì)電學(xué)元件和觸針的破壞。與超聲波焊接相比，這里對(duì)零件尺寸沒(méi)有限制，而且可以對(duì)“軟/硬”聚合物組合進(jìn)行焊接(如圖1)。此外，焊接火花小，而且不會(huì)有毛刺。

圖1. 使用二極管激光器來(lái)焊接軟/硬聚

合物組合，它被用于液體罐裝系統(tǒng)。

目前，二極管激光器提供了最先進(jìn)的解決方案，被用于大規(guī)模生產(chǎn)耐壓的集裝箱焊縫，進(jìn)行電子元件封裝，生產(chǎn)汽車(chē)零部件和金屬薄片。

生產(chǎn)率的提高

使用具有更高功率的二極管激光器可以用更快的加工速度來(lái)進(jìn)行塑料焊接，從而得到更高的生產(chǎn)率。

利用二極管激光器進(jìn)行塑料焊接的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于特定的材料組合，顏色和材料厚度，能量的線性要求幾乎不變。激光能量加倍意味著焊接塑料零件的時(shí)間減半。這個(gè)關(guān)系在很大的加工參數(shù)范圍內(nèi)都適用，它僅受到吸收特性和聚合材料熱效應(yīng)的限制，即：如果線性能量太高，頂部透明的材料開(kāi)始吸收能量，并且可能被破壞。另一方面，如果線性能量太低，在高速加工過(guò)程中，激光束與加工區(qū)域的相互作用可能導(dǎo)致焊接性能不夠好。

圖2是應(yīng)用的實(shí)例，使用了波長(zhǎng)250 nm的激光來(lái)焊接電子元件的外殼。材料是鏷（PA），厚度為1 mm。使用激光穿透焊時(shí)，必須保證焊接的零件其中一個(gè)對(duì)于該激光波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是透明的。另一個(gè)零件必須吸收激光能量以保證將激光輻射能變?yōu)闊崮?。這樣，激光輻射的吸收只在邊界區(qū)域進(jìn)行。兩個(gè)零件被壓在一起，熱能的輸入與傳導(dǎo)使得兩種材料都被熔化。在熔融的聚合物固化后，兩個(gè)零件就被連接到一起了。

圖2. 二極管激光器被用來(lái)

焊接電子元件的外殼。

使用Laserline公司的DioScan(如圖3)二極管激光器系統(tǒng)的準(zhǔn)同步焊接加工方法被用在這個(gè)加工過(guò)程中。掃描裝置被連接到二極管激光器的輸出處，它能夠快速且重復(fù)的將激光光束定位在工件的焊接外形，從而能夠?qū)附訁^(qū)域進(jìn)行合適的加熱。

圖3. 結(jié)合了二極管激光器與掃描器

的系統(tǒng)被用來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)同步焊接

將二極管激光器系統(tǒng)和掃描頭相結(jié)合所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)給出了激光功率和生產(chǎn)率之間的關(guān)系，這里激光能量范圍在80到350 W。

這里使用了功率為160 W，掃描速率為1.5 m/s的激光，在10 s內(nèi)有60個(gè)通路經(jīng)過(guò)，從而得到該焊接形狀。可以利用更高的激光能量來(lái)降低加工時(shí)間：輸出為350 W時(shí)，可以以3.3 m/s的焊接速度來(lái)得到給定的焊縫。與焊接速度較低的情況相比，焊接質(zhì)量幾乎不變。在這種情況下，線性能量只改變了一點(diǎn)點(diǎn)，但是，總的焊接時(shí)間降低到小于5 s(如圖4)。總的來(lái)說(shuō)，使用更高的激光功率是可以提高生產(chǎn)率的。

圖4. 激光功率級(jí)別的提高使得

生產(chǎn)率的提高成為可能。

要利用這一關(guān)系必須具有靈活的高功率激光源，這樣焊接速度才能得到增加。通常，用于焊接塑料的系統(tǒng)是直接或者光纖耦合的二極管激光器，這種情況下，激光束只對(duì)焊縫進(jìn)行一次加工。在同步焊接中使用了多重激光器系統(tǒng)，這樣幾路激光同時(shí)對(duì)一個(gè)零件進(jìn)行加工。

多重激光器系統(tǒng)和單重激光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以被結(jié)合到類似DioScan的系統(tǒng)中。在毫秒量級(jí)內(nèi)，兩塊鏡片可將激光光束引到工作區(qū)域 (10 英寸x 10 英寸) 內(nèi)的任何一點(diǎn)上。焦斑尺寸以及相應(yīng)的焊縫寬度可縮小到0.02英寸。這個(gè)系統(tǒng)使得焊接輪廓和形狀可以有更大的靈活性，需要的話，還可以實(shí)現(xiàn)很大的焊接尺寸。高達(dá)1000 W的激光功率可以實(shí)現(xiàn)很高的焊接速度，同時(shí)可以很快的適用于新而復(fù)雜的焊接外形，而不需要對(duì)零件或者激光頭進(jìn)行任何機(jī)械操作。

主要的應(yīng)用領(lǐng)域在于輪廓焊接和準(zhǔn)同步焊接。與其他方法，如超聲波焊接相比，其優(yōu)勢(shì)在于零件不會(huì)變形，以及對(duì)易碎零件焊接時(shí)無(wú)需接觸。

即使不使用三維掃描頭，也可以使得零件的焊縫不在同一個(gè)平面內(nèi)。這是利用了場(chǎng)的有效深度，尤其是利用長(zhǎng)焦距的特性。即使是使用了相對(duì)短的焦距范圍 (f=163 nm) ，場(chǎng)深(焦斑直徑變化小于10%范圍)仍然可以達(dá)到15 mm。這樣，不平整的，或者說(shuō)波動(dòng)范圍在焦平面15 mm內(nèi)的工件可以得到一樣的結(jié)果。焦深更長(zhǎng)的情況下，容差可以更大。對(duì)許多不平整和三維零件的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)結(jié)果。

靈活，經(jīng)濟(jì)，可升級(jí)

總的來(lái)說(shuō)，二極管激光器對(duì)塑料非接觸式而快速的焊接過(guò)程為取代傳統(tǒng)塑料焊接方法提供了一個(gè)靈活而且無(wú)磨損的方法：振動(dòng)焊接需要堅(jiān)硬且昂貴的工具，熱圓盤(pán)焊接僅僅適用于大型零件。二極管激光器加工時(shí)間短，能量分布集中，這就降低了對(duì)塑料零件的破壞。在焊接過(guò)程中，工件上高度靈敏的電路并不會(huì)被破壞。通過(guò)合理的選擇材料和顏色可以避免或控制連接處的焊接飛濺。大量材料和顏色的不同組合都可以被焊接而得到所需的連接強(qiáng)度。

二極管激光器的特點(diǎn)在于其效率和簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)。它們的高效率帶來(lái)了低投資和低成本。二極管激光器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間很長(zhǎng)的特性已經(jīng)在很多大規(guī)模應(yīng)用中得到證實(shí)。最近的發(fā)展，例如，快門(mén)時(shí)間變短，堆棧管理更合理，它們進(jìn)一步提高了激光的正常工作時(shí)間(已超過(guò)99%)。

帶掃描頭的二極管激光器已經(jīng)被成功的應(yīng)用于自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，包括傳感器外殼、集裝箱、電子元件、儲(chǔ)液箱和液壓零件等。在醫(yī)療設(shè)備工業(yè)，它們被用來(lái)焊接金屬薄膜和液體容器。

在激光功率更高的情況下，生產(chǎn)率得到了提高。這對(duì)于焊縫很長(zhǎng)的應(yīng)用情況尤為實(shí)用。比如，在焊縫長(zhǎng)度加倍的情況下，只要激光功率加倍就能夠以同樣的加工時(shí)間完成焊接。由于模塊化的設(shè)計(jì)，二極管激光器的功率容易進(jìn)行調(diào)整，以完成新的任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)新的功能。由于這項(xiàng)性能，在提高生產(chǎn)率的同時(shí)，不需要對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行大調(diào)整。