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摘要：目前激光已经广泛应用到了国防、工业、生物、医学、通信等各个领域。激光技术的快速发展不仅使光学技术重获新生，而且还推动了诸多新兴产业的产生和发展，使产业结构的发展更加多元化，促进了生产力的提高。因此，人类社会的发展与激光技术有着密不可分的关系，激光技术是当今众多领域发展的一个重要趋势。本文在此基础上主要研究的是塑料的半导体激光焊接工艺，仅供参考。
关键词：塑料；半导体激光焊接；焊接工艺
1引言
半导体激光器经过全世界各国科学家的科研与探索，历经一代又一代的发展，从最早的只能在液氮制冷环境下工作发展到在室温环境下工作，结构上从同质结构到单异质结构再到双异质结构然后发展到量子阱结构。阈值电流密度随着结构改变逐渐下降，电光转换效率逐渐提高，波长范围逐渐扩展，使用寿命逐渐延长，输出功率逐渐增加，这些方面都体现出了其性能在不断提高。
2激光透射焊接概述
随着科学技术的不断发展，热塑性塑料以其成本低、易成型、质量轻、生物相容性好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、电器、汽车、电子封装、医疗器械、玩具等行业。大多数塑料制品是通过注塑或挤出加工而成，随着实际工业应用的需要，塑料制品的结构与形状越来越复杂，注塑与挤出加工工艺已经不能满足生产需要，结构与形状复杂的塑料件往往不能一次成型，需要将其分成几部分，然后进行二次加工连接。通常塑料的连接方法主要有机械连接、黏合剂连接和焊接。机械连接与粘合剂连接有许多弊端，生产效率低，质量难以保证，污染环境。常见焊接方法有热板焊接法、热气焊接法、电磁焊接法、电阻感应焊接法、摩擦焊接法、超声波焊接法、射频焊接法及激光焊接法。其中激光透射焊接方法是一种无接触、节能环保绿色的焊接方法，而且焊速高、热影响区小、无残渣、焊缝变形小，已被逐步应用于汽车工业、航空及生物医药装备制造等行业。因此，具有广阔的发展前景。激光透射焊接过程主要是使激光（波长一般为800-1050nm）通过透明试件照射在吸光试件上，通过在吸光试件中添加一定量的吸光剂或在吸光件表面设置其他能量转化方法，使得激光能量被吸光件吸收并产生热量，当达到材料熔点之后，吸光件开始熔融，同时，热量在两试件之间进行传递，使得透光件熔化，两试件熔化区域的塑料大分子材料在夹紧力与热膨胀的共同作用下相互缠绕，产生范德华力进而形成键合，激光透射焊接原理如图1所示。根据焊接材料的相对位置，激光透射焊接接头形式主要有T型连接和搭接连接，其中，搭接接头是最常用的连接接头形式。
3实验设备及实验材料
3.1半导体激光器
半导体激光器因其结构紧凑、光束质量好、寿命长及性能稳定等优势，在众多领域都有着极其广泛的应用前景。作为一种新型光源，它主要作为光纤激光器的泵浦源、固体激光器泵浦源；也可直接应用于激光医疗，材料处理如熔覆、焊接等领域。目前半导体激光器在整个激光技术领域中发展相对比较快，其自身的可拓展方向较多，在功率、波长、工作方式等方面都有很大的发展空间。半导体激光器实质上就是一种以半导体材料作为基础的器件，然后通过一定的激励方式使半导体材料产生受激发射现象。详细来说就是在半导体材料的能带（导带与价带）或者能带与杂质能级（受主与施主）之间实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。所以说，半导体激光器能够产生激光的第一个基本条件就是要有足够的粒子数反转，也就是说要有相当数量的粒子处于高能态；产生激光的第二个基本条件就是要有一个可以起到反馈作用的可以产生激光振荡的谐振腔；而第三个基本条件就是要满足一定的阈值条件，使光子增益等于或大于光子的损耗。一般我们市面上常见的和我们经常用到的半导体激光器由LD和PD构成（LD为激光二极管，PD为光电管）。通过对LD注入电流可以产生激光（本次设计的驱动电源就是对注入LD的电流进行控制）；而PD就是对LD发出的激光功率进行检测，产生检测电流，我们通过对PD的检测电流进行采集，可以知道半导体激光器此时的功率，再通过与目标功率进行对比之后，我们来进一步进行电流的调整，使输出功率与目标功率统一。
3.2实验设备和材料
本文的实验是基于一种半导体激光塑料焊接机上完成的。该机器是作者自主研发搭建，已申请专利，目前专门用于塑料焊接。主要由半导体激光器和一套二维运动系统组成，该机器需要与上位机相连，并可通过上位机对激光的开关、功率大小、焊接速度以及焊接轨迹进行控制。一般为了对实验结果进行较为全面的观察，会分别对焊接后的实验材料进行金相观察实验和拉力检测。由于实验条件的限制，本文采用Novel牌带电子摄像头的显微镜，和三维高分辨率照相机，对焊接件的焊缝进行观察。进而用弹簧测力计对焊接件进行初步的拉力测试，该方法主要用来测试试件焊接强度从而验证焊接效果优秀与否。本文选择的实验材料是常见的热塑性塑料，透明PMMA和掺有炭黑的黑色PMMA。
3.3实验方案设计
在热塑性塑料的激光焊接过程中，焊接件之间的夹紧力、激光功率、焊接速度、光斑大小等4种因素对焊接实验结果影响较大。因此，实验通过控制变量法分别单独研究各因素对焊接结果的影响。为了定量描述焊接质量的优秀与否，在此需要引入一个叫做能量密度的变量。先做一组有无夹具的对比实验。由于该激光器光束的特殊分布，激光光束在聚焦面上的能量分布最为均匀，所以整个实验过程中始终保持离焦量为零，即光斑大小Φ=1.6mm。然后，分别单独研究激光功率与焊接速度对焊接效果的影响，进行工艺对比实验。最终，通过对焊缝形貌的观察以及拉力实验来评价实验结果。
4实验结果及分析
先做一组无夹具和有夹具的对比实验，由结果可知有无适当的夹紧力对半导体激光塑料焊接结果影响较大。后期继续实验发现，当功率提高到30W以上时，焊接效果有所下降，会出现速度过慢，形成过烧，塑料会大量分解伴随难闻气体产生，或是速度过快，焊缝过细过浅，两层塑料无法焊接到一起。究其原因，虽焊接功率足够加热下层塑料使其熔化，但正是由于功率较大，为了不使PMMA受热分解，则需使焊接速度较快，这样就导致加热时间过短，黑色PMMA吸收的热量来不及传导到透明PMMA中使其熔化。因此可发现，在进行塑料焊接过程中，PMMA对焊接功率是有一定要求的，在该激光器条件下，焊接功率最好不要超过30W。
5结束语
在激光透射焊接原理的基础上，通过实验，证明了激光焊接塑料方法的可行性，以及适当的压紧力对塑料焊接的重要性。同时，通过对焊缝的形貌观察及初步拉伸试验的检测，得到一系列优秀实验参数，例如在光斑直径Φ=1.6mm，且离焦量为零时，焊接功率P=10W，焊接速v=20mm/s为一组优秀工艺参数。而在不同焊接功率下，对应的最优能量密度不同。此外还得出，PMMA的焊接功率范围是有上限的，基于本文所用的激光器，应不超过30W。
参考文献：
[1]徐国建,钟立明,杭争翔,林久胜,傅新皓,武斌斌.镀锌钢板的光纤耦合半导体激光焊接性能[J].激光与光电子学进展,2014,5107:78-82.
[2]雷威.半导体激光锡焊系统集成实现与技术研究[D].华中科技大学,2016.
[3]赵梓涵.808nm高功率半导体激光器封装技术研究[D].长春理工大学,2017.
论文作者:徐素冲
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/11
标签：激光论文; 激光器论文; 半导体论文; 功率论文; 塑料论文; 结构论文; 材料论文; 《防护工程》2018年第36期论文;