Wolfgang Horn畢業(ye) 於(yu) 德國達姆施達特應用技術大學物理係。1995年進入德國曼海姆大學的焊接研究院 (SLV)深造。1997－2002年，Wolfgang在曼海姆大學焊接研究院的製程部負責研發工作。2002年，Wolfgang正式加入DILAS Diodenlaser GmbH,負責德國DILAS的工業(ye) 激光係統產(chan) 品。

        德國DILAS新型掃描振鏡，融合了同軸溫度探測器在準同步材料表麵溫度控製以及快速光線掃描的兩(liang) 大優(you) 勢。該掃描振鏡不但能使用在準同步聚合物焊接中，且能用在同一工作麵內(nei) 非機械定位的某些多焊點回流焊。在焊接過程中，溫度控製過程穩定、可靠。

　　高溫計控製的激光過程

　　與(yu) 其他類型的激光器相比，半導體(ti) 激光器能將能量（電流）直接轉化為(wei) 激光輻射。半導體(ti) 激光器允許對激光能量進行快速調節，這對於(yu) 使用高溫計進行閉環溫度控製的快速加工過程至關(guan) 重要。在聚合物的輪廓焊接、熔接及熱處理應用中，可以把高溫計傳(chuan) 感器與(yu) 加工用的光學元件整合在一起，從(cong) 而能從(cong) 加工區域探測同軸熱輻射。

　　為(wei) 避免高溫計與(yu) 激光源相互幹擾，高溫計的探測器的敏感波長必須與(yu) 激光源的波長不同。用於(yu) 材料加工中的高溫計，大多使用在1800～2100nm波長範圍內(nei) 高度敏感的探測器，而半導體(ti) 激光器的波長通常為(wei) 810nm或980nm。

　　為(wei) 確定處理製程的絕對溫度，必須要知道材料的一些屬性，如輻射係數及表麵特性。然而對於(yu) 大部分過程而言，材料的這些屬性並沒有確定。例如在軟焊過程中，焊料的狀態是從(cong) 固態變到液態、然後又回到固態，因此焊料的光學屬性也在變化。在聚合物焊接過程中，熱輻射被玻璃、顏料或其他填充材料所吸收或散射。

　　對大部分應用來講，一個(ge) 相應的溫度測量對於(yu) 開環或閉環過程控製來講已經足夠了。高溫計的控製器能存儲(chu) 焊接溫度、激光輸出功率等處理數據，以供存檔和分析使用。因此，高溫計是用於(yu) 質量控製和產(chan) 品開發的一個(ge) 有用工具。

　　掃描振鏡與(yu) 高溫計

　　當需要對激光斑進行快速定位或移動時，一種常用的方法是使用掃描振鏡。典型的應用是聚合物的準同步焊接或回流焊。反射鏡使激光束偏離透鏡的光軸，並使光束不再與(yu) 光軸平行。這會(hui) 對高溫計的使用產(chan) 生一些嚴(yan) 重的後果。標準平場透鏡的光學屬性，如焦距及防反射塗層隻能在很小的特定波長範圍內(nei) 工作。因為(wei) 高溫計和激光器的波長不同，色差將致使兩(liang) 者的焦點位置並不相同（見圖1）。也就是說，在加工過程中，高溫計所探測到的輻射並不是來自激光的焦點處。因而，這就不可能實現閉環過程或者甚至是溫度監控了。但是，通過特別設計，能夠實現一個(ge) 糾正色差的平場透鏡，從(cong) 而使高溫計和激光的焦點重合。圖2顯示了DILAS的掃描振鏡DL.S20P，它整合了單色高溫計和糾正色差的平場透鏡。該掃描振鏡與(yu) DILAS公司生產(chan) 的COMPACT光纖耦合半導體(ti) 激光係統配合使用，隨係統還附有用於(yu) 振鏡和高溫計控製的成熟的軟件。

圖1：高溫計和激光在標準的平場透鏡（左）下有不同的焦點，而糾正色差的平場透鏡（右）實現了兩(liang) 者的焦點重合。

圖 2：DILAS 掃描振鏡 DL.S20P 為(wei) 閉環溫度控製整合了軸向單色高溫計。

準同步焊接
　　為(wei) 了檢驗焊接的特性，我們(men) 設計了一個(ge) 盒子形狀的測試部件，這種部件在汽車行業(ye) 中最為(wei) 常見（見圖3）。盒蓋是由摻雜了30%玻璃的PBT（聚丁烯對苯二酸鹽）製成的。我們(men) 使用壓縮空氣來漲破盒子來檢驗焊接的質量。

圖 3：激光焊接測試盒

在開環過程中，處理溫度變化範圍很小。使用固定的焊接速度，激光功率必須要保證±2％的穩定性，這樣才能達到大約11.2帕的最大破壞氣壓。

　　在閉環過程中，處理溫度能夠從(cong) 210℃變化到280℃，對焊接結果沒有太大的影響。處理溫度變化範圍比在開環過程中大，並且破壞氣壓超過11.7帕。在高溫計的測量範圍中，焊接過程會(hui) 受到激光透射部件的光學屬性的限製。在近紅外區的透射決(jue) 定了所能實現的最大焊接速度。掃描振鏡及糾正色差平場透鏡的工作麵積範圍，限製了焊接部件的大小。

　　焊接
        用高功率半導體(ti) 激光器實施的激光焊接，除了在電子製造領域具備優(you) 勢外，也能在薄膜太陽能電池焊接應用中大顯身手。使用連續半導體(ti) 激光器焊接，能獲得幾平方毫米大小的焊點（見圖4）。激光焊接是一種非接觸性焊接技術，而且能精確散熱，熱影響區非常小。這限製了焊接過程中太陽能電池產(chan) 生的熱應力。

　　通常矽太陽能電池互相連接成一條細線，然後層疊在模塊裏。這種技術要求使用額外的設備來處理又長、又易碎的細線。采用激光焊接，能通過直接焊接疊層，完全避免對細線的處理。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模塊的前麵和後麵能夠透射激光。焊接可以在層疊之前或之後進行。關(guan) 於(yu) 焊點的拉力和接觸電阻，激光焊點的質量超過其他連接技術。激光焊點的拉力比其他方法高出3倍，而熱阻隻有其他方法的14%[1]。

　　不需要移動光學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上的所有連接點。由於(yu) 平場透鏡有限的工作麵積，必須要移動掃描振鏡以處理模塊的所有單元。

　　圖5顯示了閉環焊接過程中，溫度和激光功率相對於(yu) 時間的變化曲線。溫度上升了150ms後，保持了200ms的穩定，以將熱影響降至最小。

圖 4：太陽能電池單元模塊中的激光焊接

圖5：閉環焊接過程中的溫度曲線

結論
　　使用快速反應的激光光源及新開發的光學元件，可以將閉環高溫計控製和用掃描振鏡實現的快速光束定位結合在一起。測試結果顯示了一個(ge) 具有更寬處理溫度範圍的、更穩定的焊接過程。該技術為(wei) 工業(ye) 製造開辟了一種新的加工方法，能大大減少生產(chan) 中產(chan) 出的廢料。

參考文獻

　　[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)