侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

光纤激光器在焊接应用的突破

2016-05-09 12:29
flinay
关注

  近几十年来,包层泵浦光纤激光器激光行业大获成功,且近期的报告显示这种增长将继续保持良好的趋势。无论是用于打标的低功率光纤激光器,还是用于切割及焊接的高功率光纤激光器都迅速地扩大了市场份额。近期报告还显示,用于工业激光器最大市场金属薄板切割的光纤激光器将很快超过CO2激光器。此外,作为制造皮秒和飞秒短脉冲激光器的重要元件,光纤放大器、光纤准直镜等光纤激光器元件也在被广泛使用。

  准连续(QCW)光纤激光器

  本文我们将介绍同样正在市场迅速崛起的第三种光纤激光器。被称为准连续(QCW)激光器的一类近红外光纤激光器正在迅速取代历史悠久的Nd:YAG灯泵浦激光器。电光转换效率高、可靠性好、免维护、稳定性强及更小的占地面积——这些光纤激光器相对于其他激光器的核心优势已具有良好的证明,准连续光纤激光器同样具备上述所有优势。

  自2011年荣获国际光学工程学会颁发的Prism奖以来,准连续光纤激光器已经获得产品系列的全面发展,某些型号具有高达20 kW的峰值功率。由于切割及钻孔应用曾经在《激光微加工工艺在规模生产中的应用》中进行过讨论,我们这里将讨论准连续光纤激光器其他更多的应用。

  研发准连续光纤激光器的初衷,是希望将光纤激光器的优势引入那些需要低平均功率、低占空比的脉冲激光焊接,例如图1所示的有限热导点焊。然而研究人员很快发现,这些高亮度能量源可以使用更小芯径的传输光纤。实际上,准连续光纤激光器可连接单模光纤(芯径小于15 μm),具有极为精细的切割及钻孔性能。

  图1   典型的有限热导点焊

  许多光纤激光器(但不是全部)区别于其他激光工艺的特性在于单芯结二极管激光泵浦源。作为全球高功率光纤激光器的领导者,成功在很大程度上得益于这些单芯结二极管的稳定性和使用寿命。使用单芯结二极管泵浦而不是二极管巴条或阵列的一个显著优势在于可以在0–100%的占空比范围内泵浦有源光纤,也就是说可以在0–100%的占空比范围内调制连续激光器。这种调节范围在QCW光纤激光器上同样适用。

  实际上光纤激光器的有源光纤芯径本身特别的小(<15 μm),所以只能形成单模输出。这样不仅能够高效的生成相干光束,而且凭借其超高的表面积/体积比率,光纤几乎完全可以进行自冷却。由此解决了温度波动及相关的热效应问题,保证了极其稳定的光束输出。

  用小芯径有源光纤输出激光束的另外一个重要作用,就是在必要的时候,可以通过单模无源光纤(称为“传输光纤”)将激光输出至激光加工头。这种情况下光束具有最大的亮度和聚焦性能。在许多材料加工应用中,专业技术人员可以通过接入芯径较大的传输光纤,或是只是简单地添加一个光耦等方式,从一台激光器中获得不同的光束直径及光斑尺寸。

  增加的多个泵浦二极管只需简单的接入有源光纤。将这些二极管的占空比限定为10%大幅降低了对电源功率的需求,但当激光器处于脉冲模式时,就能产生10倍以上的瞬时(峰值)功率。某些型号甚至可以在几毫秒的脉宽内产生高达60 J的脉冲能量。

  激光“耦合”或破坏金属表面反射率从而开始产生一次焊接的能力与激光脉冲的峰值功率密切相关。由于真正的QCW脉冲激光器拥有高一个数量级的峰值功率,这种耦合能力大大增强。这种特性使QCW激光器在低功率激光焊接应用中对传统的灯泵浦激光器和连续激光器非常有竞争力。

  由于准连续光纤激光器的研发初衷是点焊,因此需要注意的是, 150 W连续激光器需要67 ms产生10 J调制脉冲能量。光束峰值功率与连续输出功率相同,也是150 W。下图中的公式表明,这种较低峰值功率的光束所生成的峰值功率密度(也就是辐照度)会更低。

  然而,能量需求最低的准连续激光器在用于图1所示的有限热导点焊时,能在频率为15 Hz,脉宽为8 ms时生成峰值功率为1250 W的10J脉冲能量。很明显,10 ms内在焊接部件上产生的间接热影响要比67 ms所产生的间接热影响小得多。

  准连续光纤激光器的命名规则反映了增强的峰值功率,以XXX/YYYY组合表示,其中XXX为平均功率,YYYY为峰值功率——峰值功率通常为平均功率的10倍。所以,一台型号为“150/1500”的激光器表示在一个脉冲周期内其平均功率为150 W,峰值功率为1500 W ,最大占空比为10%。如今,准连续激光器的平均功率最高已达到2 kW,峰值功率达到20 kW,用于航空航天合金高速激光钻孔(如图2所示)。

  图2   用于航空航天钻孔应用的高功率准连续光纤激光器

  从本质上说,如果某种激光工艺需要峰值功率,那么与可以提供相同峰值功率的连续激光器比,这种准连续光纤激光器更具性价比。新一代准连续光纤激光器的脉宽可低至10 μs。需要注意的是,最大脉宽与峰值功率成反比:脉宽为10 ms时峰值功率为1500 W,脉宽为15 ms时峰值功率为1000 W,脉宽为50 ms时峰值功率为300 W,脉宽越长,峰值功率越低。因此,对峰值功率的要求越低,比如焊接低反射材料,可选择的脉宽就越长,占空比也越高。

1  2  3  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号