设备

(一)  设备组件
    红外线激光焊接系统根据其操作模式不同，在设计和复杂性上有很大区别。但一般都包括以下几部分；
发生器／能量输出
    这个组件将线电压和频率转化成可驱动IR源的合适电压、电流和频率。IR发射源有许多种，而且每种对电源的要求都不同。选择何种发射源通常取决于设备制造商。每一种发射源都有其优势和局限性。
控制机构
    该装置建立了一个设备与操作者之间的联系．并监控整个系统。通常包括PLC或一个类似的逻辑电路，以及逻辑电路与操作者之间的界面。该控制系统也可以将设备的工作状况报告给操作者，例如：焊接数据和设备状态。操作系统根据操作模式和设备设计不同有很大区别。例如：若设备采用扫描激光，控制系统会有几种学习程序驱动机器人程序。若设备设计为同时照射整个焊接表面，控制系统将只允许操作者改变焊接时间、激光输出功率以及熔融深度(位移或者坍塌量)等参数。
传动机构
    该部分通常为气动压缩机，可以使上夹具向下夹具移动，并提供焊接过程中和保持阶段所需压力。通常用稳压阀来确定施加到压缩机上的最大压力值。一些设备设计中配置了可产生移动和力的伺服电机。伺服系统在设备中的应用越来越广泛，它可以同时照射整个焊接面，而且可以控制位移或塌陷量。通常传动系统中配置有编码器，以测量和报告坍塌数据。
下夹具
    下夹具多数情况下为一个简单的夹具，用来固定焊接件；由于IR或激光通常用来焊接公差相对较小的关键部件，所以要求确保夹具能提供合适的对准性和定位。
上夹具
    通常是整个设备中最复杂和最关键的部件。一般包括产生IR或激光射线并将射线发射到焊接件上的部件。不同机器使用的上夹具差异很大。对于每一种加热结构，都有几种典型的设计。
    ●常规扫描(或慢速扫描)中，激光一般用2～5轴的机器人系统移动。
    ●如果IR发射源是CO2激光器，由于光线聚焦比较重要，经常采用焊接件移动的方式。
    ●如果红外线激光发射源是钇铝石榴石激光器或者二极真空管激光器，可采用易于输送的纤维光缆。在这种情况下，焊接件保持静止。 
    ●如果采用高速扫描，光束通常借助于电镀镜子传送。某些情况下，根据焊接件尺寸和复杂性，可以使用机器人或者伺服系统传送高速模式下的光束。
    ●如果设备采用同时照射整个焊接表面的方式，可以有几种不同的焊接头设计。可将IR发射源阵列直接聚焦在焊接面，称为直接连接。这种情况下，发射源(红外线激光灯或激光二极真空管)安置在焊接面上方，并根据焊接面轮廓排放。另外可采用的方法是通过光纤连接IR发射源和焊接件。这样可将二极真空管放置的远一些，远离污物和灰尘，因而便于保养。这种光纤连接的主要缺点价格和由于包装和反射造成的激光损失。  
红外线激光器的围栏
    几乎所有设备设计都要考虑用某种围栏保护操作者免受辐射。若设备中有激光器，其外壳需要经FDA验证，确保操作者得到了适当的保护。激光灯，例如石英卤素灯，一般产生的是一种能量密度非常低和高发散性光束，因此比激光相对安全一些。但操作者仍需要避免被强烈辐射。
    图23为一种典型的激光器设备，其工作模式为同时照射整个焊接面。应该注意到出于安全考虑，设备上没有用来观察操作过程的视窗，但是该设备有特殊装置，即有一个监视系统，可以让操作者通过一个对激光灵敏度很高的摄像机观察焊接过程。

图23  同时照射整个焊接表面的典型红处/激光设备

    图24为一种用于扫描的系统。整个机器的尺寸比图23中的设备通常要大，这主要是为了适应机器人或者电镀镜系统。另外，设备中配置有观察系统，可以让操作者直接观察焊接操作。图25为一种典型的TTIr遮掩焊接系统。

图24  扫描模式红外/激光系统                              图25  TTIr遮掩焊接系统照片

(二)  红外源
    电磁光谱的波长范围很宽，通常将光谱定义为不同区域。例如，波长为2000～30000 nm范围内的光称为红外光，760～2000 nm范围称为近红外。每一种波长都可以由很多不同的发射源产生。事实上，波长10600 nm的光可以由CO2激光器或陶瓷加热器产生。但是，不同辐射源所产生的光有几个基本的不同点。例如，CO2激光器辐射的是一种相对平行（光束状）的相干单色（波长分布窄）光。相比之下，陶瓷加热器在大约270℃所产生的光是各个方向的不相干多色光(波长分布相对较宽)，见图26。在某些应用中，非激光发射源的宽输出波段会产生不期望的负面效应，例如不希望的加热。在这些情况下，需要采用滤色镜吸收这些不期望的波长。滤色镜可以是标准的玻璃滤色镜，但是由于滤色镜中的热积累，导热非常关键，可采用水或空气冷却。对于某些重要焊接件，滤色镜必须能与焊接件／材料很好匹配，因此可以使用液体滤色镜[15]。这种情况下，可以选择和塑料光学性能相似的液体，如预聚物或单体，将液体封在发射源和焊接件之间的密封腔中。这种滤色镜也有其优势，就是液体可通过直接热交换和循环克服热积累。

图26  CO2激光器和陶瓷加热器产生激光波长的理论比较曲线

    激光器或激光灯也可以产生较短的波长，例如，激光二极管可产生800～900nm的波长，YAG可产生1062nm波长的光。采用光学镜片，两种光源都可以产生相对平行的光，也都可以产生单色光。需要注意的是，激光二极管一般不能产生相干光。这种差别通常对于大多数塑料焊接没有影响。石英卤素灯利用不同反射镜的标准外壳也能产生类似波长，但常见和常用的是MR-16[20]。这种结构可以截除反射器边缘而产生一种相对较直的光，见图27。这种标准灯通常都涂覆一种高反射性材料，如铝，以反射合适的光。多数灯泡制造商都在反射面上涂一种特殊材料，使大于800nm的光可以通过灯泡反射面的背面，以减少对灯罩的加热。但是，这种设计不能用于焊接塑料。

图27  (a)结构紧凑的截除边缘MR-16石英卤素灯
(b)射线和可能聚光的光路断面图
(COurtesy Bran30n UltrasOniCs Corp．)

    相对于陶瓷加热器，MR-16外壳能较好地聚光，见图27(b)，虽然聚光性不如激光器，但通常足够用。石英卤素灯发出的光也是多色光，根据不同应用可能有时需要滤色镜。
    市场上众多的激光器中，最常用于塑料加工和焊接的是CO2激光灯、YAG和二极真空管。同样也有无数的IR灯／加热器，但最常用的是石英卤素灯、石英灯和陶瓷灯。每一种光源都有独特特征，这种特征通常决定了对于一个特定设备设计和应用来说，哪种光源最适合。表5列了一些灯的特征。

图5  常见IR源的典型特征