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    光纖激光在焊接工業中的應用分析

    信息來源:本站 日期:2018-12-29 

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    隨著高亮度激光的最新發展,在許多全新的領域中,激光材料加工應用的機會不斷增加,手持式光纖激光焊。


    我們以技術非常成熟的寶石棒結構固體激光器為例,其相關的兩個完全不同的發展方向值得關注。一方面,寶石棒的將其直徑擴大,而長度減少為幾百個微米,這就成就了盤式激光器。另一方面,將棒的長度加大,直徑減小,這就成為手持式光纖激光焊。


    談到光纖激光,光纖的長度保證了光束質量接近衍射極限(在給定波長的激光中,理論極限,或最小可能的聚焦尺寸)。這種激光的諧振腔無須進行任何調整,光束質量是被光纖的物理特性所規范。光纖激光除了以上的兩大優勢之外,還應當了解,其泵浦能量可以通過傳輸光纖進行耦合,傳輸至有源光纖或受激光纖,從而免去了二極管泵浦源到手持式光纖激光焊的光學調整的繁瑣的過程。


    圖 1 指出不同工業激光的光束質量參數(BPP) 與輸出功率的關系。其中BPP 值越小表明光束質量越好。與其它激光相比,光纖激光表現出更好的光束質量(只有在5千到一萬瓦范圍內略遜于二氧化碳激光器)。在Fraunhofer 我們一致認為,手持式光纖激光焊具有更為廣闊的未來。

    手持式光纖激光焊

    這些手持式光纖激光焊具備以下特點:體積非常小,在泵浦源與最終的光學聚焦系統之間沒有任何需要進行準之調節的零件,無須進行任何調整,很高的電光轉換效率 (25-30 %)。此外,光纖激光具有非常優秀的光束質量和超長的泵浦源壽命(超過5萬小時)。我們可以使用很小的擴束準直系統,進而可以使用尺寸很小的振鏡系統進行高速光束操控。


    15微米直徑的光纖長度限制在數米范圍內,因為存在拉曼散射效應, 它將在使用較長的光纖傳輸時減少輸出能量。而50微米的光纖限制在15米長度以內, 100和200微米的光纖長度沒有限制!

    手持式光纖激光焊

    如果使用光閘或纖-纖耦合接頭,必須使用100微米的光纖出, 50微米的光纖進,或使用200微米的光纖出,100微米的光纖進。以上兩種狀況光束質量可以達到8mm.mrad。這與盤式激光相當,而焊接的結果,兩種手持式光纖激光焊非常接近。


    綜合起來,在 Fraunhofer使用的手持式光纖激光焊系統非常穩定,沒有發生過任何問題。而燈泵浦系統本身則存在非常多的常規問題。有些其它的光纖激光用戶提到過,在操作中的光學反射問題,到目前為止對我們而言還沒有造成任何困擾。我們的試驗數據表明,光學反射沒有對激光器的輸出功率造成任何影響。即使如此,我們在實際操作中不主張使用與工件垂直的光束設計,而使用微微傾斜6度左右的角度。在切割和焊接鋼材和鋁材時沒有發生任何問題,但同樣的操作,工件為銅材時,情況較為復雜,需要很小心地進行處理。


    在我們的研究中,由于手持式光纖激光焊優秀的光束質量,焊接的深度和速度可以達到與電子束焊接相當的細窄焊縫。圖2顯示實際焊接的效果。 4千瓦光纖激光焊接8毫米厚的普碳鋼板(汽車齒輪箱中的機構)。

    手持式光纖激光焊

    對于低變形焊接,手持式光纖激光焊看來是當前最佳的選擇。 這不但在齒輪傳動機構中有廣泛的應用,在遠程焊接中同樣有著很大的優勢。


    由于極高的光束質量,我們可以使用非常緊湊、小巧的聚焦和掃描光學系統,而無須改變焊接參數, 同時適用于遠場技術。在這兩種情況下, 激光優秀的光束質量會生成特定的焊接等離子體,(與Nd:YAG 和盤式激光相比),一定要使用保護氣體,否則會發生吸收和主體散射效應。


    圖3 顯示光纖、盤式、Nd:YAG和CO2 激光系統的焊接速度對應與深度的試測數據。由于我們有限的CO2激光的能量范圍,我們僅就3.5千瓦的CO2激光進行了對比試驗。盤式激光的焊接數據有些偏離,因為我們使用的是4kW 輸出功率的TRUMPF’s HLD4002 盤式激光。


    同樣,我們使用了其它光纖激光的數據,BIAS Bremen 的4.0kW YLR7000 光纖激光 (300 微米光纖)??傊?,以下數據表明并非不同的激光會造成不同的焊接結果,而是不同的光束質量。正如兩種不同光束質量,其它參數極為接近的光纖激光,試驗結果卻截然不同。

    手持式光纖激光焊

    結論可以這樣聲明,高功率光纖激光非常適合用于不同的焊接和切割應用。高光束質量,提供更多其它激光系統無法提供的機會和更好的表現。

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