光纤激光焊接关键技术.docx

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光纤激光焊接关键技术

光纤激光在焊接工业中应用

   随着高亮度激光最新发展，在许多全新领域中，激光材料加工应用机会不断增长。

咱们以技术非常成熟宝石棒构造固体激光器为例，其有关两个完全不同发展方向值得关注。

一方面，宝石棒将其直径扩大，而长度减少为几百个微米，这就成就了盘式激光器。

另一方面，将棒长度加大，直径减小，这就成为光纤激光。

    谈到光纤激光，光纤长度保证了光束质量接近衍射极限（在给定波长激光中，理论极限，或最小也许聚焦尺寸）。

这种激光谐振腔不必进行任何调节，光束质量是被光纤物理特性所规范。

光纤激光除了以上两大优势之外，还应当理解，其泵浦能量可以通过传播光纤进行耦合，传播至有源光纤或受激光纤，从而免除了二极管泵浦源到光纤激光光学调节繁琐过程。

    图 1 指出不同工业激光光束质量参数（BPP） 与输出功率关系。

其中BPP 值越小表白光束质量越好。

与其他激光相比，光纤激光体现出更好光束质量（只有在5千到一万瓦范畴内略逊于二氧化碳激光器）。

在Fraunhofer 咱们一致以为，光纤激光具备更为辽阔将来。

    在德国Dresden， Fraunhofer IWS 以及在美国密执根PlymouthIWS 分支机构中咱们拥有如下表格中各种光纤激光可以用于工业加工发展研究。

    这些光纤激光具备如下特点：

体积非常小，在泵浦源与最后光学聚焦系统之间没有任何需要进行准之调节零件，不必进行任何调节，很高电光转换效率 （25-30 %）。

此外，光纤激光具备非常先进光束质量和超长泵浦源寿命（超过5万小时）。

咱们可以使用很小扩束准直系统，进而可以使用尺寸很小振镜系统进行高速光束操控。

    15微米直径光纤长度限制在数米范畴内，由于存在拉曼散射效应， 它将在使用较长光纤传播时减少输出能量。

而50微米光纤限制在15米长度以内， 100和200微米光纤长度没有限制！

    如果使用光闸或纤-纤耦合接头，必要使用100微米光纤出， 50微米光纤进，或使用200微米光纤出，100微米光纤进。

以上两种状况光束质量可以达到8mm.mrad。

这与盘式激光相称，而焊接成果，两种激光器非常接近。

    综合起来，在 Fraunhofer使用光纤激光系统非常稳定，没有发生过任何问题。

而灯泵浦系统自身则存在非常多常规问题。

有些其他光纤激光顾客提到过，在操作中光学反射问题，到当前为止对咱们而言还没有导致任何困扰。

咱们实验数据表白，光学反射没有对激光器输出功率导致任何影响。

虽然如此，咱们在实际操作中不主张使用与工件垂直光束设计，而使用微微倾斜6度左右角度。

在切割和焊接钢材和铝材时没有发生任何问题，但同样操作，工件为铜材时，状况较为复杂，需要很小心地进行解决。

    在咱们研究中，由于光纤激光先进光束质量，焊接深度和速度可以达到与电子束焊接相称细窄焊缝。

图2显示实际焊接效果。

 4千瓦光纤激光焊接8毫米厚普碳钢板（汽车齿轮箱中机构）。

    对于低变形焊接，光纤激光看来是当前最佳选取。

 这不但在齿轮传动机构中有广泛应用，在远程焊接中同样有着很大优势。

    由于极高光束质量，咱们可以使用非常紧凑、小巧聚焦和扫描光学系统，而不必变化焊接参数， 同步合用于远场技术。

在这两种状况下， 激光先进光束质量会生成特定焊接等离子体，（与Nd:

YAG 和盘式激光相比），一定要使用保护气体，否则会发生吸取和主体散射效应。

    图3 显示光纤、盘式、Nd:

YAG和CO2 激光系统焊接速度相应与深度试测数据。

由于咱们有限CO2激光能量范畴，咱们仅就3.5千瓦CO2激光进行了对比实验。

盘式激光焊接数据有些偏离，由于咱们使用是4kW 输出功率TRUMPF’s HLD4002 盘式激光。

同样，咱们使用了其他光纤激光数据，BIAS Bremen 4.0kW YLR7000 光纤激光 （300 微米光纤）。

总之，如下数据表白并非不同激光会导致不同焊接成果，而是不同光束质量。

正如两种不同光束质量，其他参数极为接近光纤激光，实验成果却截然不同。

    结论可以这样声明，高功率光纤激光非常合用于不同焊接和切割应用。

高光束质量，提供更多其他激光系统无法提供机会和更好体现。

    此外一方面， 购买一种激光器还应当考虑许多重要因素，其中涉及投资费用、运营费用、维护和维修费用等。

然而，最重要一点是在最后成果必要可以不断重复，这就规定光束质量必要非常稳定，它是一种最重要基本因素。

    最后，咱们可以这样宣称，随着高功率光纤激光发展，在材料加工领域咱们已经迈进了一种新激光世纪！

光纤激光器常用问题解答

1.我当前使用是灯泵浦YAG激光器，改用光纤激光器会给我带来哪些好处？

∙光纤激光器电光转换效率高达28%，而灯泵浦YAG激光只有1.5%～2%

∙不用更换灯管，因而更加省钱：

光纤激光器中使用了寿命长达10万小时电信级单芯结半导体激光管

∙所有功率级光斑大小和形状都是固定

∙免维护或低维护

∙备件很少

∙风冷或基本不需要冷却

∙体积相称小

∙工作距离更长

∙不需要调节

∙无需预热，及时可用

2.哪里可以买到光纤激光器光束传送部件？

当前，所有第三方光束传送部件制造商都可提供光纤激光器使用光束传送部件，IPG可为您提供制造商名单。

3.原有YAG光束传送部件与否还能使用？

基本可以，但是需要使用适配器对IPG光纤连接器进行转换。

有些状况下为了充分发挥光纤激光器优势，需要提高焦距。

4.这些激光器产品与否可以集成在我当前工作单元内？

可以，光纤激光器配备了各种工业接口，可以很容易地对接原则工业控制装置。

5.有提供交钥匙服务系统集成商吗？

有，有许多近年从事光纤激光器交钥匙服务系统集成商，IPG可提供交钥匙服务集成商和OEM名单。

6.光纤激光器有质保服务吗？

在业内，IPG提供质保期最长：

光纤激光器原则质保期为购买后整2年时间，IPG最长可提供8年质保期，详情请与咱们销售人员联系。

7.哪里可以实际观摩到光纤激光器产品？

IPG在许多地方设有应用开发设施，涉及马萨诸塞州牛津市、密歇根州底特律市、德国Burbach市、日本横滨市，当前咱们正筹划在俄罗斯、中华人民共和国和牛津总部建立增设新应用开发设施。

此外，咱们还在北美、欧洲、亚洲多所大学内设有光纤激光器技术研究中心。

8.你们竞争对手说你们光纤激光器存在后向反射问题，是真吗？

说这些话人并不熟悉光纤激光器技术，如果传送光纤选取适当话，咱们数千瓦功率低模光纤激光器不会发射后向反射问题。

单模激光都很少浮现这种问题。

但是，如果后向反射太高话，设备一旦检测到会自动关闭。

使用隔离器也能消除该问题。

IPG已有无数设备应用在铜和铝等高反光材料切割和焊接领域。

9.为什么别厂家反映它们半导体阵列使用寿命较短？

激光阵列（又名整体激光半导体阵列）由各种并联安装于晶体材料发光体构成，由于发光体之间连接区域热密度大，热干扰强，半导体阵列必要采用软焊料（铟）安装在铜材料上，并且采用水冷装置，该装置运用流过铜材料中细微镀金沟道（被称为微沟道冷却器）高速、高压水流实行积极式冷却。

但是，系统中冷却水必要保持极度清洁且PH值中性，因素是沟道由于受穴蚀和侵蚀影响会在相称短时间内坏掉。

而保持水质原则是相称困难，特别在工业环境下。

铜散热材料和半导体阵列半导体属于完全不同材料，涉及其热膨胀系数。

在实际工作状态下，由于频繁开关操作，半导体阵列性能下降非常快，比制造商在拟定设备特性时使用恒定驱动电流状态下要快得多。

导致半导体阵列发射故障其他因素来自半导体阵列自身，半导体阵列寿命普通由其“最弱”发光体决定。

为了提高半导体阵列性能和散热能力，普通使用导热性能好铟作为软焊料连接阵列与微沟道冷却器。

当驱动电流很大时，铟会发射电迁移现象，进而在瞬间发生故障。

许多半导体阵列制造商往往依照使用时间长短拟定其使用寿命。

而IPG单管散热材料与半导体芯片热膨胀系数相似，IPG使用电信级硬焊料不存在电迁移问题，依照光纤激光器大小，IPG激光器或者采用高速电扇进行风冷，或者在散热装置下方采用不锈钢管路进行水冷，二极管不会与冷却水发生接触。

半导体光纤通过光纤直接送至激活介质实现接续，从而避免了空气与激光介质接触而导致污染。

单管寿命与其工作电流之间存在直接关系，所有工业IPG光纤激光器半导体设计电流使其使用寿命（平均无端障工作时间）可以达到10万小时以上。

IPGPhotonics半导体光源寿命并非单独拟定，而是与光纤激光器或放大器整个质保期相似。

10.为什么你们对自己二极管使用寿命有如此信心？

在装入激光器或放大器之前，IPG光子一方面对半导体光源进行100%测试，测试时间普通超过1500小时，其温度和电流等测试条件是相称严格。

只有通过测试管子才干在设备中使用。

无论10kW材料加工光纤激光器中使用单管还是电信行业使用宽带光纤放大器使用激光管，都要通过类似测试流程。

IPG是当今世界上半导体测试项目最多单管制造商，已经应用于实际生产中650多台数千瓦光纤激光器（其中许多已达5年之久）充分证明了这一点。

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11.为什么IPG采用全纵向集成生产战略？

重要因素有三:

∙第一，IPG所用许多部件在市面上无法买到，或者无法满足高功率光纤激光器严格使用规定。

∙第二，这样做有助于IPG进一步优化部件系统，更快地响应客户需求，缩短产品推向市场时间。

∙第三，有助于IPG严格控制成本，从而使客户实现效益最大化。

12.如何拟定光斑大小？

办法非常简朴，对于光纤激光器而言，这是一种光纤输出在工件上成像过程。

光斑大小等于光纤直径乘以准直器放大率和最后聚焦透镜直径。

例如，如果光纤直径等于50μm，准直器焦距等于60，最后聚焦透镜焦距等于300mm，则最后光斑尺寸等于SS=50x300/60=250微米。

光纤直径、准直器、最后聚焦透镜可依照光斑大小规定进行调节。

光斑大小不随额定功率5%～105%动态范畴发生变化，对于单模激光器，在使用低阶模激光遮蔽装置时，光斑大小为高斯光束光斑。

13.同一台光纤激光器可以同步进行切割和焊接吗？

同一台激光器可以进行切割、焊接、钻孔和熔覆。

许多客户购买了采用2路、4路或6路光闸光纤激光器，例如，当光闸在其中一种位置时采用100μm光纤用于切割，200μm用于焊接，400μm或400μm以上用于熔覆或热解决。

设备功率和传送光纤切换只需几毫秒时间，传送光纤可支持200米间隔各种工位。

14.IPG近来为什么又推出了CO2激光器？

IPG近来推出了第一代CO2气体激光器，输出功率1～3kW，光谱范畴10.6μm。

这款新IPGCO2激光器专利权属于IPG，与当前市面上老式CO2激光器相比效率更高、体积更小，非常适合解决非金属材料。

虽然光纤激光器在金属焊接、熔覆、烧结和钎焊等众多领域内正在逐渐取代涉及CO2激光器在内老式激光器，但是像聚合物和有机材料等非金属材料使用10.6μm光谱范畴CO2气体激光器解决效果会更好。

此外，无数客户都表达了以更加当代产品取代自己老式CO2激光器兴趣。

IPG但愿随着这款通过改进CO2激光器推出可以满足这些客户需要。

15.为什么光纤激光器比固态和气体激光器效率更高？

答案很简朴――在设计上，光纤激光器产生热量更少，对所产生热量管理更为有效。

掺镱半导体泵浦光纤激光器（泵浦波长980nm）比掺钕YAG二极管泵浦激光器（泵浦波长808nm）量子亏损（即泵浦能量和发生能量之差）低。

此外，光纤激光器光光转换效率普通为70-80%，而泵浦YAG仅约为4%，半导体泵浦YAG和盘形激光器约为40