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基于高功率光纤激光的复合焊

  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

  2.1长距离直缝焊的牵引

  为了实现在垂直或水平方向利用激光-GMA复合焊工艺进行长距离直缝焊,焊接设备生产商奥地利Fronius公司设计并制造了一种牵引装置。该装置配有一台激光-GMA复合焊光学头,一个送丝单元,以及3个直缝焊激光传感器MTH20,以便对焊缝形态进行追踪。GMA焊接单元TPS9000最大输出功率为900 A,占空比60%。牵引装置与移动激光发射基站基站、焊接单元及传感器控制单元之间可以借助独立的控制系统进行通信。用户通过示教器控制整个系统。该牵引装置的实地试验设在JLM Papenburg造船厂(如图4所示)。

  图4:位于Papenburg的Meyer造船厂的激光-GMA复合焊牵引系统

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