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光纖激光在焊接工業中的應用

發布時間:2012-08-01 | 來源:星鴻藝激光焊接運營部 | 分享:


隨著高亮度激光的最新發展,在許多全新的領域中,激光材料加工應用的機會不斷增加。我們以技術非常成熟的寶石棒結構固體激光器為例,其相關的兩個完全不同的發展方向值得關注。一方面,寶石棒的將其直徑擴大,而長度減少為幾百個微米,這就成就了盤式激光器。另一方面,將棒的長度加大,直徑減小,這就成為光纖激光談到光纖激光,光纖的長度保證了光束質量接近衍射極限(在給定波長的激光中,理論極限,或最小可能的聚焦尺寸)。這種激光的諧振腔無須進行任何調整,光束質量是被光纖的物理特性所規范。光纖激光除了以上的兩大優勢之外,還應當了解,其泵浦能量可以通過傳輸光纖進行耦合,傳輸至有源光纖或受激光纖,從而免去了二極管泵浦源到光纖激光的光學調整的繁瑣的過程。 
    圖 1 指出不同工業激光的光束質量參數(BPP) 與輸出功率的關系。其中BPP 值越小表明光束質量越好。與其它激光相比,光纖激光表現出更好的光束質量(只有在5千到一萬瓦范圍內略遜于二氧化碳激光器)。在Fraunhofer 我們一致認為,光纖激光具有更為廣闊的未來。  
      
    在德國的Dresden, Fraunhofer IWS 以及在美國密執根的Plymouth的IWS 分支機構中我們擁有以下表格中的各種光纖激光可以用于工業加工發展的研究。  
    這些光纖激光具備以下特點:體積非常小,在泵浦源與最終的光學聚焦系統之間沒有任何需要進行準之調節的零件,無須進行任何調整,很高的電光轉換效率 (25-30 %)。此外,光纖激光具有非常優秀的光束質量和超長的泵浦源壽命(超過5萬小時)。我們可以使用很小的擴束準直系統,進而可以使用尺寸很小的振鏡系統進行高速光束操控。  
    15微米直徑的光纖長度限制在數米范圍內,因為存在拉曼散射效應, 它將在使用較長的光纖傳輸時減少輸出能量。而50微米的光纖限制在15米長度以內, 100和200微米的光纖長度沒有限制!                               
      
    如果使用光閘或纖-纖耦合接頭,必須使用100微米的光纖出, 50微米的光纖進,或使用200微米的光纖出,100微米的光纖進。以上兩種狀況光束質量可以達到8mm.mrad。這與盤式激光相當,而焊接的結果,兩種激光器非常接近。  
    綜合起來,在 Fraunhofer使用的光纖激光系統非常穩定,沒有發生過任何問題。而燈泵浦系統本身則存在非常多的常規問題。有些其它的光纖激光用戶提到過,在操作中的光學反射問題,到目前為止對我們而言還沒有造成任何困擾。我們的試驗數據表明,光學反射沒有對激光器的輸出功率造成任何影響。即使如此,我們在實際操作中不主張使用與工件垂直的光束設計,而使用微微傾斜6度左右的角度。在切割和焊接鋼材和鋁材時沒有發生任何問題,但同樣的操作,工件為銅材時,情況較為復雜,需要很小心地進行處理。  
    在我們的研究中,由于光纖激光優秀的光束質量,焊接的深度和速度可以達到與電子束焊接相當的細窄焊縫。圖2顯示實際焊接的效果。 4千瓦光纖激光焊接8毫米厚的普碳鋼板(汽車齒輪箱中的機構)。  
     
    對于低變形焊接,光纖激光看來是當前最佳的選擇。 這不但在齒輪傳動機構中有廣泛的應用,在遠程焊接中同樣有著很大的優勢。 

    由于極高的光束質量,我們可以使用非常緊湊、小巧的聚焦和掃描光學系統,而無須改變焊接參數, 同時適用于遠場技術。在這兩種情況下, 激光優秀的光束質量會生成特定的焊接等離子體,(與Nd:YAG 和盤式激光相比),一定要使用保護氣體,否則會發生吸收和主體散射效應。 

    圖3 顯示光纖、盤式、Nd:YAG和CO2 激光系統的焊接速度對應與深度的試測數據。由于我們有限的CO2激光的能量范圍,我們僅就3.5千瓦的CO2激光進行了對比試驗。盤式激光的焊接數據有些偏離,因為我們使用的是4kW 輸出功率的TRUMPF’s HLD4002 盤式激光。同樣,我們使用了其它光纖激光的數據,BIAS Bremen 的4.0kW YLR7000 光纖激光 (300 微米光纖)。總之,以下數據表明并非不同的激光會造成不同的焊接結果,而是不同的光束質量。正如兩種不同光束質量,其它參數極為接近的光纖激光,試驗結果卻截然不同。  
 
    結論可以這樣聲明,高功率光纖激光非常適合用于不同的焊接和切割應用。高光束質量,提供更多其它激光系統無法提供的機會和更好的表現。 
    另外一方面, 購買一個激光器還應當考慮許多的重要的因素,其中包括投資費用、運行費用、維護和維修費用等。然而,最重要的一點是在最終的結果必須能夠不斷重復,這就要求光束質量必須非常穩定,它是一個最重要的基本因素。 
    最后,我們可以這樣宣稱,隨著高功率光纖激光的發展,在材料加工領域我們已經邁進了一個新的激光世紀!

光纖激光器常見問題解答

1. 我現在使用的是燈泵浦YAG激光器,改用光纖激光器會給我帶來哪些好處?

· 光纖激光器的電光轉換效率高達28 %,而燈泵浦YAG激光只有1.5%~2%

· 不用更換燈管,因而更加省錢:光纖激光器中使用了壽命長達10萬小時的電信級單芯結半導體激光管 

· 所有功率級的光斑大小和形狀都是固定的

· 免維護或低維護

· 備件極少

· 風冷或基本不需要冷卻

· 體積相當小

· 工作距離更長

· 不需要調整

· 無需預熱,立即可用

2. 哪里能夠買到光纖激光器的光束傳送部件?
目前,所有第三方光束傳送部件制造商都可提供光纖激光器使用的光束傳送部件,IPG可為您提供制造商名單。

3.原有的YAG光束傳送部件是否還能使用?
基本可以,但是需要使用適配器對IPG光纖連接器進行轉換。有些情況下為了充分發揮光纖激光器的優勢,需要提高焦距。

4. 這些激光器產品是否能夠集成在我現在的工作單元內?
可以,光纖激光器配備了各種工業接口,能夠很容易地對接標準的工業控制裝置。

5. 有提供交鑰匙服務的系統集成商嗎?
有,有許多多年從事光纖激光器交鑰匙服務的系統集成商,IPG可提供交鑰匙服務集成商和OEM的名單。

6. 光纖激光器有質保服務嗎?
在業內,IPG提供的質保期最長:光纖激光器的標準質保期為購買后整2年時間,IPG最長可提供8年質保期,詳情請與我們的銷售人員聯系。

7. 哪里能夠實際觀摩到光纖激光器產品?
IPG在許多地方設有應用開發設施,包括馬薩諸塞州牛津市、密歇根州的底特律市、德國的Burbach市、日本的橫濱市,目前我們正計劃在俄羅斯、中國和牛津總部建立增設新的應用開發設施。另外,我們還在北美、歐洲、亞洲的多所大學內設有光纖激光器技術研究中心。

8. 你們的競爭對手說你們的光纖激光器存在后向反射的問題,是真的嗎?
說這些話的人并不熟悉光纖激光器技術,如果傳送光纖選擇合適的話,我們的數千瓦功率低模光纖激光器不會發射后向反射問題。單模激光都很少出現這種問題。但是,如果后向反射太高的話,設備一旦檢測到會自動關閉。使用隔離器也能消除該問題。IPG已經有無數的設備應用在銅和鋁等高反光材料的切割和焊接領域。 

9. 為什么別的廠家反映它們的半導體陣列使用壽命較短?
激光陣列(又名整體激光半導體陣列)由多個并聯安裝于晶體材料發光體組成,由于發光體之間的連接區域熱密度大,熱干擾強,半導體陣列必須采用軟焊料(銦)安裝在銅材料上,并且采用水冷裝置,該裝置利用流過銅材料中的細微鍍金溝道(被稱為微溝道冷卻器)的高速、高壓水流實施主動式冷卻。但是,系統中的冷卻水必須保持極度清潔且PH值中性,原因是溝道由于受穴蝕和侵蝕的影響會在相當短的時間內壞掉。而保持水質標準是相當困難的,尤其在工業環境下。銅散熱材料和半導體陣列半導體屬于完全不同的材料,包括其熱膨脹系數。在實際工作狀態下,由于頻繁的開關操作,半導體陣列的性能下降非常快,比制造商在確定設備特性時使用恒定驅動電流的狀態下要快得多。

導致半導體陣列發射故障的其它原因來自半導體陣列自身,半導體陣列的壽命通常由其“最弱”的發光體決定。為了提高半導體陣列性能和散熱能力,通常使用導熱性能好的銦作為軟焊料連接陣列與微溝道冷卻器。當驅動電流很大時,銦會發射電遷移現象,進而在瞬間發生故障。

許多半導體陣列制造商往往根據使用時間長短確定其使用壽命。而IPG的單管散熱材料與半導體芯片的熱膨脹系數相同,IPG使用的電信級硬焊料不存在電遷移問題,根據光纖激光器的大小,IPG激光器或者采用高速風扇進行風冷,或者在散熱裝置下方采用不銹鋼管路進行水冷,二極管不會與冷卻水發生接觸。半導體光纖通過光纖直接送至激活介質實現接續,從而避免了空氣與激光介質接觸而造成污染。單管的壽命與其工作電流之間存在直接關系,所有工業IPG光纖激光器半導體的設計電流使其使用壽命(平均無故障工作時間)能夠達到10萬小時以上。IPG Photonics半導體光源的壽命并非單獨確定,而是與光纖激光器或放大器的整個質保期相同。

10. 為什么你們對自己的二極管使用壽命有如此的信心?
在裝入激光器或放大器之前,IPG 光子首先對半導體光源進行100%的測試,測試的時間一般超過1500小時,其溫度和電流等測試條件是相當嚴格。只有通過測試的管子才能在設備中使用。無論10kW材料加工光纖激光器中使用的單管還是電信行業使用的寬帶光纖放大器使用的激光管,都要經過類似的測試流程。IPG是當今世界上半導體測試項目最多的單管制造商, 已經應用于實際生產中的650多臺數千瓦光纖激光器(其中許多已達5年之久)充分證明了這一點。. 

11. 為什么IPG采取全縱向集成的生產戰略?
主要原因有三:

· 第一,IPG所用的許多部件在市面上無法買到,或者無法滿足高功率光纖激光器嚴格的使用要求。

· 第二,這樣做有利于IPG進一步優化部件系統,更快地響應客戶需求,縮短產品推向市場的時間。 

· 第三,有利于IPG嚴格控制成本,從而使客戶實現效益最大化。 

12. 如何確定光斑大小? 
方法非常簡單,對于光纖激光器而言,這是一個光纖輸出在工件上成像的過程。光斑大小等于光纖直徑乘以準直器的放大率和最終聚焦透鏡直徑。例如,如果光纖直徑等于50μm,準直器的焦距等于 60 ,最終聚焦透鏡 的焦距等于300mm,則最終光斑尺寸等于SS= 50x 300/60= 250微米。光纖直徑、準直器、最終聚焦透鏡可根據光斑大小要求進行調整。光斑大小不隨額定功率的5% ~ 105%動態范圍發生變化,對于單模激光器,在使用低階模激光遮蔽裝置時,光斑大小為高斯光束光斑。

13. 同一臺光纖激光器能夠同時進行切割和焊接嗎?
同一臺激光器能夠進行切割、焊接、鉆孔和熔覆。許多客戶購買了采用2路、4路或6路光閘的光纖激光器,例如,當光閘在其中一個位置時采用100μm光纖用于切割,200μm用于焊接,400μm或400μm以上用于熔覆或熱處理。設備功率和傳送光纖的切換只需幾毫秒時間,傳送光纖可支持200米間隔的多個工位。

14. IPG最近為什么又推出了CO2激光器? 
IPG最近推出了第一代CO2氣體激光器,輸出功率1 ~ 3 kW,光譜范圍10.6μm。這款新的IPG CO2激光器的專利權屬于IPG,與現在市面上傳統的CO2 激光器相比效率更高、體積更小,非常適合處理非金屬材料。 

雖然光纖激光器在金屬焊接、熔覆、燒結和釬焊等眾多領域內正在逐步取代包括CO2激光器在內的傳統激光器,但是像聚合物和有機材料等非金屬材料使用10.6μm光譜范圍的CO2氣體激光器處理效果會更好。另外,無數的客戶都表達了以更加現代的產品取代自己傳統CO2激光器的興趣。IPG希望隨著這款經過改進的CO2激光器的推出能夠滿足這些客戶的需要。

15. 為什么光纖激光器比固態和氣體激光器效率更高?
答案很簡單――在設計上,光纖激光器產生的熱量更少,對所產生熱量的管理更為有效。摻鐿半導體泵浦光纖激光器(泵浦波長980 nm)比摻釹YAG二極管泵浦激光器(泵浦波長808 nm)的量子虧損(即泵浦能量和發生能量之差)低。另外,光纖激光器的光光轉換效率通常為70-80%,而泵浦YAG僅約為4%,半導體泵浦YAG和盤形激光器約為40%。由于激光始終被包含在光纖內,因而激光腔內不會存在其它導致激光損失的因素。 

16. 如果我改用光纖激光器會節省多少成本? 
用戶如果在生產中采用光纖激光器會節約相當大的成本,具體節約多少取決于用戶的當前工藝、材料、生產環境、電氣和勞動力成本。節約主要體現在以下方面:

a. 電光轉換效率更高:現有傳統激光器技術的效率與光纖激光器是無法相比的。

類型

電光轉換效率

摻鐿光纖激光器 

28%+

燈泵浦YAG

1.5-2%

二極管泵浦YAG

10-20%

盤形激光器

15-25%

CO2:

5-15%

 

b. 冷卻: 由于光纖激光器的效率高,因而對冷卻的要求就低,用電就少。小功率光纖激光器只需要空氣冷卻即可,高功率光纖激光器采用水冷,與其它同等的激光器技術相比更加簡單,成本更低。冷卻還取決于生產環境的特殊性。

c. 消耗品/備用件: 由于光纖激光器采用了更加高效的設計(熱量管理效率更高)和采用了電信級單芯結泵浦源,因而為您節省了備用件(例如燈和半導體陣列)、勞動力和停產時間。許多YAG中使用的燈和半導體陣列的使用壽命分別約為2000小時和20000小時,僅相當于IPG單芯結10萬小時平均無故障工作時間的幾分之一,這意味著在激光器的使用壽命內,您不必更換模塊。如果您使用全固態光纖轉光纖激光器的話,會節省更多,因而不需要像傳統的激光器那樣進行光學裝置調整或維護,如共振腔鏡、晶體、液體、濾光片。

d. 維護: 光纖激光器不需要維護或者僅需少量維護,具體取決于輸出功率及其它因素,而傳統激光器則不然。不需要調整光學裝置,沒有預熱時間和消耗品/備用件。從而為您節省一大筆維護費用。 

e. 資本成本: 一臺光纖激光器可同時完成切割、焊接、鉆孔等多種操作,使您不必針對不同的操作單獨購置不同的激光系統,從而降低您的投資成本。

17. IPG有多大?

· IPG在2007年末時是世界第四大激光光源生產商(按照總銷售額計算)。 

· 由于眾多行業和應用越來越認可IPG全固態光纖激光器產品,因而在2007年,IPG的銷售額增長了32%,從2006年的1.43億美元增至1.89億美元。 

· IPG在美國、德國、意大利、俄羅斯總的生產面積超過40萬平方英尺。

· IPG在美國、德國、英國、意大利、俄羅斯、日本、中國、韓國、印度設有銷售和服務中心。聯系我們

· IPG共有1300多名員工。

· IPG已在納斯達克全球市場上市,上市名稱為“IPGP”。

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