高功率单模/准单模光纤激光器在焊接应用中的优势

2020-02-08 11:51

一般来说，激光器输出光束根据物理特性可分为单模（single mode）和多模（multi－mode）两种。按照光束质量M²因子的不同，我们可以将M2因子小于1.3的单模激光称为纯单模（pure single mode），其LP01模的能量占比接近100％。M2因子在1.3～2.0之间的单模激光称为准单模（quasi single mode），其LP01模的能量占比超过90％并出现少量的LP11模和LP02模。多模激光M²因子大于2.0，这种模式下输出纤芯较大（一般在50μm及以上），模式数目较多。从能量空间分布特征上来看，单模激光呈现典型的高斯分布，如图1左所示，而多模激光则是由多个激光模式叠加起来，典型的分布形态是平顶，如图1右所示。

图1 单模和多模激光能量分布示意图

湖南大科激光有限公司已推出1000～3000W纯单模光纤激光器产品和5000W准单模产品，其典型值如表1所示。

同等激光功率经相同的光学系统聚焦后，焦点处单模激光的能量密度远高于多模激光。为了便于比较，表2给出了5000W准单模产品和多模产品的聚焦参数比较。

表2 5KW准单模和典型多模聚焦参数对比

注：表中计算以F200／250激光加工头为例。

众所周知，激光对金属的加工原理就是通过高能量密度的激光瞬间使金属产生熔化甚至汽化，达到去除或连接的目的。从上表可以看出，在相同条件下单模激光在焦点处的能量密度接近多模的11 倍，即使在5mm离焦的条件下，单模的能量密度仍是普通多模的5倍。相对多模激光，单模激光具有如此悬殊的能量密度，通过合理利用，可以非常有效地提高加工能力或效率。

大科单模激光器在普通材料焊接上的优势

激光焊接中最常用的应用就是深熔焊，深熔焊是通过小孔效应来吸收激光能量的，单模激光的焦点光斑尺寸小能量集中，因此与多模激光相比，单模激光得到的小孔更小、更深，孔内压力更大更稳定，结合光束摆动技术，相同功率的单模激光焊接普通材料时与多模激光相比具有以下优势：

1、更大的熔深

2、更大的深宽比

3、更小的热影响区

4、焊缝上下宽度差小（更接近矩形焊缝形貌）

大科3KW单模激光焊接不锈钢的焊缝形貌如图2所示。

图2 焊缝形貌

大科单模激光器在高反材料焊接上的优势

不同材料对不同波长激光的吸收率如图3所示，从图中可以看出，用光纤激光（典型波长1080nm）加工高反材料（如Cu、Al、Ag等）时，吸收率极低，常温下紫铜对1080nm激光的吸收率只有不到5％，如此低的吸收率使得一般的光纤激光器很难用于加工特别是焊接紫铜、铝合金等高反材料，这主要体现在两方面：一方面要求非常高的功率（6mm紫铜焊接，多模激光器的功率需要高达15000W），另一方面高的反射率会引起频繁的报警甚至会对激光器产生不可逆的破坏。所以目前市场上使用光纤激光器焊接高反材料（特别是紫铜）的成功应用案例还不多，虽然通快针对这一痛点推出了绿光激光来解决这个问题，但是目前绿光激光在工业上应用存在功率不足和成本高的两大难题。

图3 不同材料对不同波长激光的吸收率

虽然高反材料常温下对近红外激光的吸收率不高，但是形成稳定的匙孔后其吸收率会显著增加，例如焊接紫铜时，匙孔形成后对近红外激光的吸收率可提高50％。如何在瞬间形成稳定匙孔来提高吸收率和减少熔化时间避免焊缝产生严重的气孔成为解决紫铜激光焊接的两大方向，所以紫铜焊接一般使用超高功率、高速度的工艺解决方案，但这也带来了成本增加的难题。

从表2可以看出，相同条件下，与多模激光相比，单模激光焦点处光斑尺寸明显减小，能量密度显著增加，这非常利于紫铜激光焊接。但是由于单模激光器过小的焦点光斑尺寸，原来认为这类激光器不适合激光焊接应用，但光束摆动技术应用后，利用小光斑也可以实现稳定焊接（如图4所示），而且焊缝的几何形状可以得到可控设计，这样不但避免光斑过小的缺陷同时也发挥了单模激光易于形成稳定小匙孔的优势。