激光聚合物焊接是一種無(wú)振動(dòng)、非接觸且非常精確的焊接塑料部件的方式。如今，激光透射焊接有四種較為成熟的方法（圖1）。在輪廓焊接中，一束激光投射到待焊接工件上，接著激光束沿著待焊接區(qū)域的輪廓掃描一周，兩個(gè)夾緊的塑料部件上被掃描的區(qū)域由此被融化并連接在一起。在準(zhǔn)同步焊接中，兩個(gè)掃描鏡以非常高的速度沿著輪廓多次偏轉(zhuǎn)激光光斑。在這種方法中，整個(gè)圖案的加熱和連接幾乎是同步完成的。在同步焊接中，完全相同形狀的圖案輪廓被激光光束融化并同時(shí)連接。在掩膜焊接中，線狀的激光束穿過(guò)反射掩膜，掩膜的陰影區(qū)下方是不需要連接的區(qū)域。
M形強(qiáng)度分布的圓形平頂光束
在輪廓焊接和準(zhǔn)同步焊接中，玻璃光纖末端面被相應(yīng)地放大成像到工件上。通常情況下為平頂光束。不過(guò)，圓形平頂光束沿著焊接輪廓進(jìn)行連續(xù)引導(dǎo)時(shí)，將造成引導(dǎo)方向上不均勻的能量輸入，即中間的能量輸入比邊緣的要高。因此，在激光焊接聚合物中使用圓形平頂強(qiáng)度光束會(huì)使得焊接過(guò)程中沿著焊縫方向的溫度分布不均勻。這就對(duì)工藝窗口造成了限制。
對(duì)輪廓焊接和準(zhǔn)同步焊接來(lái)說(shuō)，M形光斑強(qiáng)度的分布更為方便。顧名思義，M形強(qiáng)度分布的圓形平頂光束成像在工件上的光斑在邊緣的強(qiáng)度要高于中間位置。這就能確保焊接過(guò)程中沿著焊縫方向的溫度分布均勻。圖2顯示了含有0.5wt%碳黑的聚丙烯中的M形強(qiáng)度分布的光斑和相應(yīng)的熱影響區(qū)。這里的透熱深度是指沿著光束引導(dǎo)方向上的透熱深度。
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利用折射或衍射光束整形技術(shù)獲取M形強(qiáng)度分布的激光光斑。通過(guò)折射方法，在光纖耦合激光模塊中集成特定的雙折射透鏡，以實(shí)現(xiàn)光纖末端面的M形強(qiáng)度分布。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光功率損失低。不過(guò)實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度分布只是近似M形。
在衍射方法中，衍射光學(xué)元件（DOE）定位在準(zhǔn)直激光束的傳播路徑上。衍射光學(xué)元件表面的極小的結(jié)構(gòu)能按照預(yù)想的形狀和強(qiáng)度設(shè)置來(lái)衍射激光光束（圖3）。衍射方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以修改激光光斑的大小和強(qiáng)度。此外，衍射光學(xué)元件不需光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。因此，可以容易、快速地通過(guò)更換衍射光學(xué)元件來(lái)改變焊縫寬度，而無(wú)需更改任何透鏡和工作距離。衍射技術(shù)的缺點(diǎn)是相比折射方法具有較高的光損耗，并且根據(jù)不同的要求，需要更高亮度的激光源——光纖激光器。
均勻的激光線
通過(guò)微透鏡陣列可以將任何準(zhǔn)直激光束分成多個(gè)小射束，生成均勻的激光線。在陣列后的每個(gè)束波被聚焦形成激光線。所有這些聚焦的束波疊加形成了均勻的激光線。在掩膜焊接中，均勻激光線用于焊接在一個(gè)平面內(nèi)的任何形狀。
高度定制的光束形狀
如果要求加工時(shí)間短和/或不能移動(dòng)部件，那么應(yīng)該優(yōu)先選擇使用同步焊接。根據(jù)焊接形狀的復(fù)雜性，可以使用折射或衍射光學(xué)元件。簡(jiǎn)單的形狀例如環(huán)形，可以通過(guò)特殊的透鏡來(lái)形成，而更復(fù)雜的形狀，例如橢圓形、正方形，原則上可以通過(guò)使用衍射光學(xué)元件生成2D形狀。每個(gè)焊接形狀通常都是根據(jù)客戶的需求定制的，同步焊接的衍射光學(xué)元件也是如此。由于要在玻璃基板的表面蝕刻特定的衍射結(jié)構(gòu)，衍射光學(xué)元件的價(jià)格不菲，但是可以承受。此外，衍射光學(xué)元件衍射產(chǎn)生的光束形狀是固定的。這一限制可以通過(guò)使用類(lèi)似程控衍射光學(xué)元件——硅基液晶（LCoS）基板來(lái)克服。
最近，高反射LCoS基板已成功應(yīng)用在激光聚合物焊接中（圖4）。該基板可以承受激光功率高達(dá)100瓦以上的輻照。此外，線性偏振激光束的形狀和強(qiáng)度分布可以在幾秒鐘內(nèi)得到修改，無(wú)需更改任何設(shè)置。修改后相當(dāng)于快速調(diào)整了焊縫寬度和焊接過(guò)程中的溫度分布優(yōu)化。
折射和衍射光束整形技術(shù)已經(jīng)在塑料激光焊接中找到用武之地。在輪廓焊接和準(zhǔn)同步焊接中，M形強(qiáng)度分布的圓形平頂光束可以確保在焊接過(guò)程中沿著焊縫的溫度分布保持均勻。同步焊接中，可以通過(guò)衍射光學(xué)元件生成任何2D形狀。未來(lái)，LCoS基板將賦予激光光束整形技術(shù)更大的靈活性，從而促進(jìn)激光聚合物焊接的發(fā)展。
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