Amtron專注半導體雷射塑料焊接控制技術

2020-12-05 OFweek維科網

　　Amtron在剛剛閉幕的SPIE PHOTONICS WEST 2010展出了新一代半導體雷射控制器/系統（產品如圖1），並受到了高度關注。在這個展臺上，有如同字典般大小的半導體雷射控制器CM100，它通過外接直流電可以提供高達240A的穩定電流和800A的脈衝電流，電流上升時間只需0.5µs。同時展出了半導體雷射控制系統LS400，該系統可以提供高達30KW的脈衝功率，提供高達700W的半導體雷射輸出功率，這個緊湊型的系統加上帶溫度和功率負反饋的雷射頭即可實現對塑料、金屬等材料的焊接。

 

 

                                                                  圖1： Amtron產品

 

Amtron公司位於德國亞琛，於2000年從Fraunhofer（弗勞恩霍夫）雷射技術研究所脫離從來成立，一直致力於高品質半導體雷射控制器、半導體雷射控制系統、溫度/功率傳感器等產品的開發創新並為客戶提供系統的解決方案，特別適合在塑料焊接，醫療，國防，固體雷射器泵浦等行業使用。如今，產品已用在弗勞恩霍夫雷射技術研究所、法國國家實驗室等國際頂尖科研機構。

 

Amtron產品的應用

 

1．用於半導體雷射塑料焊接：

塑料焊接三大必要條件：焊接溫度、焊接壓力、作用時問。為此，對於半導體雷射控制器來說，只有提供高質量的雷射光束、控制穩定的加工溫度，才能焊出均勻性密封性好的產品。Amtron公司針對塑料焊接專門設計出能夠精確控制電流、功率的控制器CS400/CM100（如圖2），以及帶溫度和功率負反饋的雷射頭SE200，很好地解決了焊接溫度這個條件。

Amtron LS400控制系統集成了800-1000nm半導體雷射器，可以直接用於塑料的焊接，也可以採用CS400控制器搭配光纖半導體雷射器、焊接工藝平臺（或機器人）一起組成塑料焊接機。如今，雷射焊接能夠焊接具有複雜外形、甚至是三維幾何形狀的製品，實現快速高緻密性連接，比如在汽車生產中，通過三維塑料雷射焊接技術即可以設計出形狀各異的汽車車燈，「這一方式看起來就像拿著一支原子筆在三維物件上寫字或畫畫，雷射的能量輸出就像彩色的液體流暢地流出，手指輕輕按動就可以改變字體或圖畫的形態。」陳杰偉（海德堡大學）博士這樣描述這一成果。

 

 

 

圖2： CS400/CM100

 

2．用於雷射醫療：

我們都知道，808nm，980nm，1380nm，1470nm等波長的半導體雷射器都可以用於眼、牙、美容、口腔、腫瘤科等醫療，但對於雷射醫療儀有兩個關鍵因素：雷射器控制和雷射光束調整。首先要有好的控制技術，保證可以輸出高穩定性雷射光束，而且要保證精確的雷射作用時間，也即控制器對輸入電流波形的控制；其次是對雷射功率的調整，任何雷射器輸出功率都會隨著使用時間等因素而出現不同程度的的漂移，所以定時檢測調整雷射功率顯得尤為重要，這也是對治療病人最大的負責。

 

3．用於固體雷射器泵浦：

半導體泵浦固體雷射器由於其具有轉化效率高、性能可靠、壽命長、輸出光束質量好等優點，在近幾年得到了快速的發展。Amtron公司推出的控制器CS400/CM100集成808，880，938, 976nm等半導體雷射器作為固體雷射器的泵浦源，可以獲得非常高的光譜穩定性 <±2nm，以及大於40%的電光效率；當準脈衝寬度為200 μs時，可以獲得大於10%的光光轉換效率。

 

Amtron控制器的優勢：

①     提供多種電流模式(CW、QCW、脈衝等)，其中CW電流高達240A，脈衝電流高達800A；

②     提供高達30KW的脈衝功率，提供高達700W的雷射輸出功率；

③     光纖狀況實時監控，加工點溫度、功率負反饋控制；

④     數字和模擬兩種控制；

⑤     無需電腦，自動存儲檢測數據；

⑥     提供RS232, CAN Bus, PLC, SPI，Cooler，interlock等接口；

⑦     安全保護等等。

 

Amtron溫度、功率負反饋：

Amtron設計的雷射頭SE200（如圖3）包括溫度、功率傳感器、電子元件和光學元件等。它的核心是雷射頭接口，連接Amtron控制器單元、傳感器元件、雷射頭元件和調光器，所有元件只需通過單一電纜，即可實現監控、調節、電源提供和過程管理等功能。

在實際應用中，雷射頭可以採用固定式和手持式使用，即時監測、調節加工點溫度和雷射輸出功率，並自動存儲檢測數據。

 

 


 圖3： 雷射頭

 

雷射頭除了傳感元件，裡面的光學元件也起到了重要的作用，下表為雷射頭的具體光學參數：

 

Fiber connectors

SMA 905, LD80

Focal lengths [mm]

60

80

100

120

200

Working distance [mm] ± 2 mm

37

58

78

98

180

Spot size [μm] against fiber core diameter with NA=0.22 (FWHM)

200 μm fiber (Spot size ± 20 mm)

350

460

570

700

1150

400 μm fiber (Spot size ± 50 mm)

700

1000

1200

1400

2300

600 μm fiber (Spot size ± 70 mm)

1030

1400

1750

2100

3600

 

隨著雷射加工行業的快速發展，作為半導體雷射器的應用也得到了較快的發展。能夠提供更高更精確電流、功率的半導體雷射控制器/系統，提供更緊湊輕巧的結構的控制器將會得到更多的青睞。（作者：張觀鳳）

 

 

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