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破局高反材料,各家有何“独门秘籍”?

激光被认为是削铁如泥的利剑,然而再锋利的宝剑也会有棘手的时候,比如在一定场景下,有一些反射率较高的材料,如银,铜等,被称为“高反材料”。高反材料对激光的吸收率较低,在不易加工的同时,还可能造成设备运行失败,甚至损坏设备。多年来一直是激光切割行业试图攻关的重要门槛。

除了吸收率低以外,当高反材料未被穿透的时候,可能造成较高功率的回返光返回至激光器内部,损坏激光器。因此,传统而言激光切割机都对加工高反材料慎之又慎。

然而高反材料是个很大的类群,市场应用极其广泛,谁能率先征服高反材料,谁就能在残酷的市场中取得一席之地。在市场需求的推动下,近年来也有一些激光企业逐步摸索到了突破高反障碍的方法,以满足多元化加工需求。以下是一些企业的“破局”手段:

01 蓝光激光器

CO2激光器发射的激光处于红外波段(通常为10.6um),在许多工业运用领域表现出色,然而在特殊波段的高反金属加工方面并不理想。所以一种可能的思路是,绕开这一高反射率波段,采用波长较短的蓝色激光取代(通常在400-500nm区间)。用蓝光激光加工不仅可以改善吸收率,还能改善红外激光加工导致的飞溅问题。

作为后起之秀的蓝光激光器,相比于已经成熟的红外光、绿光激光器而言,最多算个小弟弟。2020年9月,广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院(简称“硬科院”)推出500w系列半导体蓝光激光器,后又推出1000w系列。该系列产品主要用于高反材料的焊接、熔覆,3D打印等,不仅填补了该领域的国内空白,其技术在世界而言也属领先地位。

锂离子电池焊接,电子原件加工等场景,都需要加工铜材这种常见的高反材料。经硬科院测试,使用常规红外激光器所需功率约为4000瓦,而蓝光激光器则只需400-800瓦即可实现加工。同时,由于铜材对蓝光的吸收率较高,大大增加了工艺过程窗口,可通过参数控制对焊接效果进行细微调整,实现“无飞溅焊接”。除此之外,蓝光焊接铜金属在速度方面也具有较大优势,比红外激光焊接至少快8倍。

02 优化光纤输出头

在光纤激光机中,同样存在着棘手的高反问题。为了破解这一难题,锐科激光选择了从激光头入手。

从原理而言,高反材料造成的回返激光,首当其冲的就是输出光缆头。回返激光容易使得输出光缆出现发热甚至损坏。锐科激光为了保证输出光缆的安全,采用新型QBH光纤输出头,在原有基础上添加了一级回返光剥除装置。这一抗高反光设计能够第一时间剥除大部分回返激光,结合水冷散热设计,减少对光缆输出头的热影响。

为了验证新型光纤输出头性能,对于装配该输出头的RFL-A1500D激光器进行高反测试,整体的测试思路为模拟用户使用环境,甚至要超出实际工况。经过焦点位置处,90°垂直于紫铜表面的严苛焊接测试,紫铜表面虽然一直处于镜面状态,源源不断的激光回返至光纤输出头,然而核心器件一直处于正常工作温度,未明显受到回返光的影响。

除此之外,还有采用摆动焊接头,复合焊接头等思路避开高反问题。随着激光的普及与应用,在材料加工、通讯、信息处理、医疗美容、科研军事等各个工业制造领域崭露头角。然而同质化竞争如今愈演愈烈,开拓新思路,打开新蓝海将成为未来的发展趋势。随着高反材料被激光所“征服”,这将为激光加工行业带来新的增长点。

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