納秒(ns)脈沖紅外光纖激光器的多功能性是眾所周知的，它們是大多數(shù)工業(yè)打標(biāo)和雕刻應(yīng)用的理想選擇。通常在低于幾毫焦耳的脈沖能量和平均功率不超過100W時(shí)，它在高脈沖重復(fù)頻率、連續(xù)波(CW)與準(zhǔn)連續(xù)波調(diào)制(QCW)模式方面效果明顯。最近，它們又開始應(yīng)用于各種微加工和激光表面紋理加工中，甚至還包括遠(yuǎn)程微切割應(yīng)用。這些應(yīng)用中絕大多數(shù)都會(huì)涉及到材料去除。基于這個(gè)前提，考慮到用于材料連接的束源并不一樣。那么用相同的束源來連接材料，同時(shí)也能進(jìn)行去除、燒蝕、雕刻、切割和打標(biāo)，這才是真正令人印象深刻的(圖1)。
圖1：緊湊型SPI 100W納秒水冷式光纖激光器。
對(duì)于激光用戶來說，好處顯而易見，例如能進(jìn)行多任務(wù)的激光源以及往往是風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的緊湊型集成形式，從而能實(shí)現(xiàn)無縫集成。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為焊接和連接需要具有高脈沖能量的毫秒級(jí)長(zhǎng)脈沖，但顯然并不是這樣!這種類型的激光材料連接能力鮮為人知，但是它們?cè)谶B接超薄材料時(shí)的表現(xiàn)非常出色。
在全球范圍內(nèi)，消費(fèi)類電子產(chǎn)品、能量?jī)?chǔ)存和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)需要在越來越小的體積和高密度包裝內(nèi)加入更多的功能。因此也更需要高效的制造技術(shù)來幫助這些產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)，本文將著重講述激光焊接技術(shù)。所以，借助工業(yè)(納秒紅外光纖)激光器實(shí)現(xiàn)的這種生產(chǎn)技術(shù)，可以提供所需的高可重復(fù)性、精確性和生產(chǎn)能力，其中最重要的還有低成本(成本和維修)，因此能滿足市場(chǎng)的需求。
根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，各種類型的激光器都有著不同的優(yōu)勢(shì)，包括脈沖YAG激光器、碟片激光器、光纖(CW和QCW)激光器、甚至二極管激光器。到目前為止，納秒脈沖激光器僅用于少數(shù)尖端的應(yīng)用中，不過情況正在發(fā)生變化，最近開始將納秒光纖激光器應(yīng)用于材料連接上。
SPI是率先將主控振蕩器功率放大器(MOPA)引入到納秒光纖激光器的先鋒，而這也已被證明是一種非常多用途的工具，因?yàn)樗芨鶕?jù)應(yīng)用的要求來控制和調(diào)整脈沖的參數(shù)。這主要是通過改變脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)的。它們還能在脈沖和連續(xù)波模式之間切換，這也是一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，因?yàn)榫哂性谝幌盗胁煌馐|(zhì)量的光源范圍內(nèi)的可用性，從而能根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)來提供不同的工具。在平均功率和峰值功率范圍內(nèi)，這種激光器可以在毫秒范圍內(nèi)調(diào)制，以適用于需要低平均功率的毫秒級(jí)脈沖的應(yīng)用。
塑料焊接
以塑料焊接作為例子，在一些對(duì)精度要求很高的應(yīng)用中，例如微流體裝置，使用光纖激光器將比其他激光源能獲得更多優(yōu)勢(shì)。有時(shí)候光斑的能量分布會(huì)有影響。例如，在一個(gè)復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備中，要將一個(gè)透明的聚合物焊接到一個(gè)黑色的聚合物上，將40W、M2=3的激光束設(shè)為CW模式(圖2)。“它讓我能按照所需要的那樣來控制光斑尺寸、能量分布和場(chǎng)深度。” Okay Industries公司(康涅狄格州新不列顛)激光技術(shù)總監(jiān)Joe Lovotti評(píng)論說。
圖2：用40W HS-H激光器對(duì)胰島素注射器進(jìn)行塑料焊接。
絲焊
在金屬焊接方面，醫(yī)療器械行業(yè)中的微連接應(yīng)用越來越普遍，這即使是對(duì)于最出色的應(yīng)用工程師來說也是一種挑戰(zhàn)。細(xì)金屬絲的連接正是這樣一個(gè)例子，CW光纖激光器在這個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著金屬絲變得越來越細(xì)，與熱輸入相關(guān)的問題也更加棘手。在焊接50μm直徑的成卷焊絲時(shí)，用20W、M2<1.6的激光來實(shí)現(xiàn)集中的聚焦將帶來很好的效果。挑戰(zhàn)在于，通過在較高的重復(fù)頻率下操作激光器來壓制脈沖的峰值功率，創(chuàng)造更多具有<0.1mJ的脈沖和頻率大于250kHz的準(zhǔn)連續(xù)波調(diào)制（QCW），這歸根結(jié)底就是創(chuàng)造出短的脈沖串。
有些應(yīng)用需要將一個(gè)外覆層或編織層連接到一根金屬絲上(圖3)。我們發(fā)現(xiàn)在這種情況下，能量分布較廣的脈沖能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部件之間更好的潤(rùn)濕性。在此示例中，使用的40W、M2=3的激光器具有較大的光斑和稍高的脈沖能量（大于1.25mJ），能幫助橋接間隙。
圖3：用250 kHz、20W EP-Z激光器焊接直徑50μm的金屬絲 (a和b)，用20W EP-Z激光器焊接熱電偶 (c)，用40WHS-H激光器焊接編織層和金屬絲(d)。
另一方面，使用20W、M2<1.3的單模激光器能實(shí)現(xiàn)極高的精度。一個(gè)例子是焊接直徑12μm的細(xì)異種金屬絲，并成功地將它們焊接形成了熱電偶。在這種應(yīng)用中要想實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，跳汰選和視覺系統(tǒng)與激光器同樣重要。
