基于高功率光纤激光的复合焊——激光应用的新机遇

　　2004年8月，SLV Meckl enburg- Vorpommern GmbH 生产了首台10 kW光纤激光器，这标志着光纤激光器的效率已经实现了质的飞越。在随后的十年里，人们针对激光在各种工业领域的应用进行了大量的研究。我们将通过几个实例，分析10 kW光纤激光器现场试验的结果和经验，并以此作为激光器推广应用的参考。

　　1.高功率光纤激光器——效率的大跨步

　　近年来，人们已经研制出了可用于高功率激光设备的5 kW Nd:YAG激光源，然而，由于电光转换效率仅有6%，且机身庞大，所以无论是单纯的泵浦光源，还是二极管泵浦Nd:YAG激光源，仍不能完胜固态激光源。随着光纤激光器输出功率的进一步提高，光纤激光器开始向着原来只能使用CO2激光源的应用领域推进。在过去的三年里，工业领域使用的多种激光源中，光纤激光器的重要性已经开始日益凸显。

　　2002年5月，IPG光子公司推出了首款输出功率达到1 kW的光纤激光器。同年11月份，输出功率已提升至4 kW。2003年3月，10 kW光纤激光器问世。至此，IPG已经先后推出24款带有不同输出功率的光纤激光器，用户遍及美国、欧洲和亚洲。

　　波长为1070 nm的掺镱光纤激光器以其外形小巧，光电转换效率超过25%，以及极佳的光束质量而备受瞩目。其主要作用原理是在激光谐振腔内，通过多种光能反馈，生成、引导并操作激光光束。光纤激光器由掺入特定稀土离子（如镱、铒、钕、铥等）的玻璃光纤所形成的双包层线圈构成。泵浦二极管通过多模纤维形成的双包层线圈，将能量注入有源光纤。有源光纤内部直接生成激光谐振腔，能量得到增益后通过一根无源单模光纤输出。将多个单模光纤同步输出，我们就可以得到一台功率翻倍的 kW级光纤激光器。由于使用的是光纤到光纤的整体设计，所以完全不需要调整或对齐反射镜及其他光学元件（如图1所示）。

　　图1：光纤激光器的原理（左图），380 W模块及一台光纤激光器内部的模块组合

　　与其他具有类似输出功率的激光系统相比，光纤激光器，再加上预计100000小时不间断操作使用寿命的二极管的维护成本显然更低。此外，由于光纤激光器的设计紧凑，操作简便，可接入的光纤最长可达200 m，因此特别适用于那些需要高功率、灵活传输及高迁移性激光源的领域。

　　2004年8月，全球首台10 kW光纤激光器在德国罗斯托克市的SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司诞生（如图2所示）。除了可以进行试验室焊接、切割和表面抛光试验外，客户也可以自行对其进行研究和拓展。Precitec公司已经推出了一系列焊接和表面抛光用的光学头及切割头。如果是激光-电弧复合焊，还可以调整焊接头，使其适合复合焊系统。除了上述静态应用系统所使用的光学加工头之外，Mobil Laser Tec公司还研制了一种新型激光头，用于手动引导焊接及切割。

　　图2：SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司生产的10 kW光纤激光器

　　2.移动激光发射基站

　　自从第一台10 kW乃至更高输出功率的光纤激光机问世以来，SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意识到，这种激光源配合移动概念，必能发挥更大的作用，完全可以非常灵活地响应客户对于现场应用的需求。在一个名为“DOCKLASER”的欧洲项目中，工作人员围绕IPG YLR-10000光纤激光器设计并建造了一个移动激光发射基站（如图3所示）。这个激光发射基站配备了冷却设备，还预留了一些用于安放外围设备的空间。这样一个激光发射基站，只需要用普通平板货车就能实现轻松运输。而该项目之前使用的是来自Trumpf的4.5 kW Nd:YAG激光器HL2006，体积是目前的三倍之大，所以必须要用到拖车。

　　图3：配备10 kW光纤激光机及冷却单元的移动激光发射基站