光纖激光在焊接工業(yè)中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2012-08-01圖 1 指出不同工業(yè)激光的光束質(zhì)量參數(shù)(BPP) 與輸出功率的關(guān)系。其中BPP 值越小表明光束質(zhì)量越好。與其它激光相比，光纖激光表現(xiàn)出更好的光束質(zhì)量（只有在5千到一萬瓦范圍內(nèi)略遜于二氧化碳激光器）。在Fraunhofer 我們一致認(rèn)為，光纖激光具有更為廣闊的未來。
在德國(guó)的Dresden， Fraunhofer IWS 以及在美國(guó)密執(zhí)根的Plymouth的IWS 分支機(jī)構(gòu)中我們擁有以下表格中的各種光纖激光可以用于工業(yè)加工發(fā)展的研究。
這些光纖激光具備以下特點(diǎn)：體積非常小，在泵浦源與最終的光學(xué)聚焦系統(tǒng)之間沒有任何需要進(jìn)行準(zhǔn)之調(diào)節(jié)的零件，無須進(jìn)行任何調(diào)整，很高的電光轉(zhuǎn)換效率 (25-30 %)。此外，光纖激光具有非常優(yōu)秀的光束質(zhì)量和超長(zhǎng)的泵浦源壽命（超過5萬小時(shí)）。我們可以使用很小的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，進(jìn)而可以使用尺寸很小的振鏡系統(tǒng)進(jìn)行高速光束操控。
15微米直徑的光纖長(zhǎng)度限制在數(shù)米范圍內(nèi)，因?yàn)榇嬖诶⑸湫?yīng)， 它將在使用較長(zhǎng)的光纖傳輸時(shí)減少輸出能量。而50微米的光纖限制在15米長(zhǎng)度以內(nèi)， 100和200微米的光纖長(zhǎng)度沒有限制！
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(jìn)，或使用200微米的光纖出，100微米的光纖進(jìn)。以上兩種狀況光束質(zhì)量可以達(dá)到8mm.mrad。這與盤式激光相當(dāng)，而焊接的結(jié)果，兩種激光器非常接近。
綜合起來，在 Fraunhofer使用的光纖激光系統(tǒng)非常穩(wěn)定，沒有發(fā)生過任何問題。而燈泵浦系統(tǒng)本身則存在非常多的常規(guī)問題。有些其它的光纖激光用戶提到過，在操作中的光學(xué)反射問題，到目前為止對(duì)我們而言還沒有造成任何困擾。我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，光學(xué)反射沒有對(duì)激光器的輸出功率造成任何影響。即使如此，我們?cè)趯?shí)際操作中不主張使用與工件垂直的光束設(shè)計(jì)，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(shí)沒有發(fā)生任何問題，但同樣的操作，工件為銅材時(shí)，情況較為復(fù)雜，需要很小心地進(jìn)行處理。
在我們的研究中，由于光纖激光優(yōu)秀的光束質(zhì)量，焊接的深度和速度可以達(dá)到與電子束焊接相當(dāng)?shù)募?xì)窄焊縫。圖2顯示實(shí)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(jī)構(gòu)）。
對(duì)于低變形焊接，光纖激光看來是當(dāng)前最佳的選擇。 這不但在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中有廣泛的應(yīng)用，在遠(yuǎn)程焊接中同樣有著很大的優(yōu)勢(shì)。
由于極高的光束質(zhì)量，我們可以使用非常緊湊、小巧的聚焦和掃描光學(xué)系統(tǒng)，而無須改變焊接參數(shù)， 同時(shí)適用于遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)。在這兩種情況下， 激光優(yōu)秀的光束質(zhì)量會(huì)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(hù)氣體，否則會(huì)發(fā)生吸收和主體散射效應(yīng)。
圖3 顯示光纖、盤式、Nd:YAG和CO2 激光系統(tǒng)的焊接速度對(duì)應(yīng)與深度的試測(cè)數(shù)據(jù)。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(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。盤式激光的焊接數(shù)據(jù)有些偏離，因?yàn)槲覀兪褂玫氖?kW 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(shù)據(jù)，BIAS Bremen 的4.0kW YLR7000 光纖激光 (300 微米光纖)�？傊�，以下數(shù)據(jù)表明并非不同的激光會(huì)造成不同的焊接結(jié)果，而是不同的光束質(zhì)量。正如兩種不同光束質(zhì)量，其它參數(shù)極為接近的光纖激光，試驗(yàn)結(jié)果卻截然不同。
結(jié)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(yīng)用。高光束質(zhì)量，提供更多其它激光系統(tǒng)無法提供的機(jī)會(huì)和更好的表現(xiàn)。
另外一方面， 購(gòu)買一個(gè)激光器還應(yīng)當(dāng)考慮許多的重要的因素，其中包括投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)和維修費(fèi)用等。然而，最重要的一點(diǎn)是在最終的結(jié)果必須能夠不斷重復(fù)，這就要求光束質(zhì)量必須非常穩(wěn)定，它是一個(gè)最重要的基本因素。
最后，我們可以這樣宣稱，隨著高功率光纖激光的發(fā)展，在材料加工領(lǐng)域我們已經(jīng)邁進(jìn)了一個(gè)新的激光世紀(jì)！
光纖激光器常見問題解答
1. 我現(xiàn)在使用的是燈泵浦YAG激光器，改用光纖激光器會(huì)給我?guī)砟男┖锰帲?/P>
· 光纖激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28 %，而燈泵浦YAG激光只有1.5%～2%
· 不用更換燈管，因而更加省錢：光纖激光器中使用了壽命長(zhǎng)達(dá)10萬小時(shí)的電信級(jí)單芯結(jié)半導(dǎo)體激光管
· 所有功率級(jí)的光斑大小和形狀都是固定的
· 免維護(hù)或低維護(hù)
· 備件極少
· 風(fēng)冷或基本不需要冷卻
· 體積相當(dāng)小
· 工作距離更長(zhǎng)
· 不需要調(diào)整
· 無需預(yù)熱，立即可用
2. 哪里能夠買到光纖激光器的光束傳送部件？
目前，所有第三方光束傳送部件制造商都可提供光纖激光器使用的光束傳送部件，IPG可為您提供制造商名單。
3.原有的YAG光束傳送部件是否還能使用？
基本可以，但是需要使用適配器對(duì)IPG光纖連接器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。有些情況下為了充分發(fā)揮光纖激光器的優(yōu)勢(shì)，需要提高焦距。
4. 這些激光器產(chǎn)品是否能夠集成在我現(xiàn)在的工作單元內(nèi)？
可以，光纖激光器配備了各種工業(yè)接口，能夠很容易地對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制裝置。
5. 有提供交鑰匙服務(wù)的系統(tǒng)集成商嗎？
有，有許多多年從事光纖激光器交鑰匙服務(wù)的系統(tǒng)集成商，IPG可提供交鑰匙服務(wù)集成商和OEM的名單。
6. 光纖激光器有質(zhì)保服務(wù)嗎？
在業(yè)內(nèi)，IPG提供的質(zhì)保期最長(zhǎng)：光纖激光器的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)保期為購(gòu)買后整2年時(shí)間，IPG最長(zhǎng)可提供8年質(zhì)保期，詳情請(qǐng)與我們的銷售人員聯(lián)系。
7. 哪里能夠?qū)嶋H觀摩到光纖激光器產(chǎn)品？
IPG在許多地方設(shè)有應(yīng)用開發(fā)設(shè)施，包括馬薩諸塞州牛津市、密歇根州的底特律市、德國(guó)的Burbach市、日本的橫濱市，目前我們正計(jì)劃在俄羅斯、中國(guó)和牛津總部建立增設(shè)新的應(yīng)用開發(fā)設(shè)施。另外，我們還在北美、歐洲、亞洲的多所大學(xué)內(nèi)設(shè)有光纖激光器技術(shù)研究中心。
8. 你們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手說你們的光纖激光器存在后向反射的問題，是真的嗎？
說這些話的人并不熟悉光纖激光器技術(shù)，如果傳送光纖選擇合適的話，我們的數(shù)千瓦功率低模光纖激光器不會(huì)發(fā)射后向反射問題。單模激光都很少出現(xiàn)這種問題。但是，如果后向反射太高的話，設(shè)備一旦檢測(cè)到會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。使用隔離器也能消除該問題。IPG已經(jīng)有無數(shù)的設(shè)備應(yīng)用在銅和鋁等高反光材料的切割和焊接領(lǐng)域。
9. 為什么別的廠家反映它們的半導(dǎo)體陣列使用壽命較短？
激光陣列（又名整體激光半導(dǎo)體陣列）由多個(gè)并聯(lián)安裝于晶體材料發(fā)光體組成，由于發(fā)光體之間的連接區(qū)域熱密度大，熱干擾強(qiáng)，半導(dǎo)體陣列必須采用軟焊料（銦）安裝在銅材料上，并且采用水冷裝置，該裝置利用流過銅材料中的細(xì)微鍍金溝道（被稱為微溝道冷卻器）的高速、高壓水流實(shí)施主動(dòng)式冷卻。但是，系統(tǒng)中的冷卻水必須保持極度清潔且PH值中性，原因是溝道由于受穴蝕和侵蝕的影響會(huì)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)壞掉。而保持水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)困難的，尤其在工業(yè)環(huán)境下。銅散熱材料和半導(dǎo)體陣列半導(dǎo)體屬于完全不同的材料，包括其熱膨脹系數(shù)。在實(shí)際工作狀態(tài)下，由于頻繁的開關(guān)操作，半導(dǎo)體陣列的性能下降非常快，比制造商在確定設(shè)備特性時(shí)使用恒定驅(qū)動(dòng)電流的狀態(tài)下要快得多。
導(dǎo)致半導(dǎo)體陣列發(fā)射故障的其它原因來自半導(dǎo)體陣列自身，半導(dǎo)體陣列的壽命通常由其“最弱”的發(fā)光體決定。為了提高半導(dǎo)體陣列性能和散熱能力，通常使用導(dǎo)熱性能好的銦作為軟焊料連接陣列與微溝道冷卻器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流很大時(shí)，銦會(huì)發(fā)射電遷移現(xiàn)象，進(jìn)而在瞬間發(fā)生故障。
許多半導(dǎo)體陣列制造商往往根據(jù)使用時(shí)間長(zhǎng)短確定其使用壽命。而IPG的單管散熱材料與半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)相同，IPG使用的電信級(jí)硬焊料不存在電遷移問題，根據(jù)光纖激光器的大小，IPG激光器或者采用高速風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷，或者在散熱裝置下方采用不銹鋼管路進(jìn)行水冷，二極管不會(huì)與冷卻水發(fā)生接觸。半導(dǎo)體光纖通過光纖直接送至激活介質(zhì)實(shí)現(xiàn)接續(xù)，從而避免了空氣與激光介質(zhì)接觸而造成污染。單管的壽命與其工作電流之間存在直接關(guān)系，所有工業(yè)IPG光纖激光器半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)電流使其使用壽命（平均無故障工作時(shí)間）能夠達(dá)到10萬小時(shí)以上。IPG Photonics半導(dǎo)體光源的壽命并非單獨(dú)確定，而是與光纖激光器或放大器的整個(gè)質(zhì)保期相同。
10. 為什么你們對(duì)自己的二極管使用壽命有如此的信心？
在裝入激光器或放大器之前，IPG 光子首先對(duì)半導(dǎo)體光源進(jìn)行100%的測(cè)試，測(cè)試的時(shí)間一般超過1500小時(shí)，其溫度和電流等測(cè)試條件是相當(dāng)嚴(yán)格。只有通過測(cè)試的管子才能在設(shè)備中使用。無論10kW材料加工光纖激光器中使用的單管還是電信行業(yè)使用的寬帶光纖放大器使用的激光管，都要經(jīng)過類似的測(cè)試流程。IPG是當(dāng)今世界上半導(dǎo)體測(cè)試項(xiàng)目最多的單管制造商， 已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的650多臺(tái)數(shù)千瓦光纖激光器（其中許多已達(dá)5年之久）充分證明了這一點(diǎn)。.
11. 為什么IPG采取全縱向集成的生產(chǎn)戰(zhàn)略？
主要原因有三:
· 第一，IPG所用的許多部件在市面上無法買到，或者無法滿足高功率光纖激光器嚴(yán)格的使用要求。
· 第二，這樣做有利于IPG進(jìn)一步優(yōu)化部件系統(tǒng)，更快地響應(yīng)客戶需求，縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。
· 第三，有利于IPG嚴(yán)格控制成本，從而使客戶實(shí)現(xiàn)效益最大化。
12. 如何確定光斑大��？
方法非常簡(jiǎn)單，對(duì)于光纖激光器而言，這是一個(gè)光纖輸出在工件上成像的過程。光斑大小等于光纖直徑乘以準(zhǔn)直器的放大率和最終聚焦透鏡直徑。例如，如果光纖直徑等于50μm，準(zhǔn)直器的焦距等于 60 ，最終聚焦透鏡 的焦距等于300mm，則最終光斑尺寸等于SS= 50x 300/60= 250微米。光纖直徑、準(zhǔn)直器、最終聚焦透鏡可根據(jù)光斑大小要求進(jìn)行調(diào)整。光斑大小不隨額定功率的5% ～ 105%動(dòng)態(tài)范圍發(fā)生變化，對(duì)于單模激光器，在使用低階模激光遮蔽裝置時(shí)，光斑大小為高斯光束光斑。
13. 同一臺(tái)光纖激光器能夠同時(shí)進(jìn)行切割和焊接嗎？
同一臺(tái)激光器能夠進(jìn)行切割、焊接、鉆孔和熔覆。許多客戶購(gòu)買了采用2路、4路或6路光閘的光纖激光器，例如，當(dāng)光閘在其中一個(gè)位置時(shí)采用100μm光纖用于切割，200μm用于焊接，400μm或400μm以上用于熔覆或熱處理。設(shè)備功率和傳送光纖的切換只需幾毫秒時(shí)間，傳送光纖可支持200米間隔的多個(gè)工位。
14. IPG最近為什么又推出了CO2激光器？
IPG最近推出了第一代CO2氣體激光器，輸出功率1 ～ 3 kW，光譜范圍10.6μm。這款新的IPG CO2激光器的專利權(quán)屬于IPG，與現(xiàn)在市面上傳統(tǒng)的CO2 激光器相比效率更高、體積更小，非常適合處理非金屬材料。
雖然光纖激光器在金屬焊接、熔覆、燒結(jié)和釬焊等眾多領(lǐng)域內(nèi)正在逐步取代包括CO2激光器在內(nèi)的傳統(tǒng)激光器，但是像聚合物和有機(jī)材料等非金屬材料使用10.6μm光譜范圍的CO2氣體激光器處理效果會(huì)更好。另外，無數(shù)的客戶都表達(dá)了以更加現(xiàn)代的產(chǎn)品取代自己傳統(tǒng)CO2激光器的興趣。IPG希望隨著這款經(jīng)過改進(jìn)的CO2激光器的推出能夠滿足這些客戶的需要。
15. 為什么光纖激光器比固態(tài)和氣體激光器效率更高？
答案很簡(jiǎn)單――在設(shè)計(jì)上，光纖激光器產(chǎn)生的熱量更少，對(duì)所產(chǎn)生熱量的管理更為有效。摻鐿半導(dǎo)體泵浦光纖激光器（泵浦波長(zhǎng)980 nm）比摻釹YAG二極管泵浦激光器（泵浦波長(zhǎng)808 nm）的量子虧損（即泵浦能量和發(fā)生能量之差）低。另外，光纖激光器的光光轉(zhuǎn)換效率通常為70-80%，而泵浦YAG僅約為4%，半導(dǎo)體泵浦YAG和盤形激光器約為40%。由于激光始終被包含在光纖內(nèi)，因而激光腔內(nèi)不會(huì)存在其它導(dǎo)致激光損失的因素。
16. 如果我改用光纖激光器會(huì)節(jié)省多少成本？
用戶如果在生產(chǎn)中采用光纖激光器會(huì)節(jié)約相當(dāng)大的成本，具體節(jié)約多少取決于用戶的當(dāng)前工藝、材料、生產(chǎn)環(huán)境、電氣和勞動(dòng)力成本。節(jié)約主要體現(xiàn)在以下方面:
a. 電光轉(zhuǎn)換效率更高：現(xiàn)有傳統(tǒng)激光器技術(shù)的效率與光纖激光器是無法相比的。
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類型 |
電光轉(zhuǎn)換效率 |
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摻鐿光纖激光器 |
28%+ |
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燈泵浦YAG |
1.5-2% |
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二極管泵浦YAG |
10-20% |
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盤形激光器 |
15-25% |
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CO2: |
5-15% |
b. 冷卻: 由于光纖激光器的效率高，因而對(duì)冷卻的要求就低，用電就少。小功率光纖激光器只需要空氣冷卻即可，高功率光纖激光器采用水冷，與其它同等的激光器技術(shù)相比更加簡(jiǎn)單，成本更低。冷卻還取決于生產(chǎn)環(huán)境的特殊性。
c. 消耗品/備用件: 由于光纖激光器采用了更加高效的設(shè)計(jì)（熱量管理效率更高）和采用了電信級(jí)單芯結(jié)泵浦源，因而為您節(jié)省了備用件（例如燈和半導(dǎo)體陣列）、勞動(dòng)力和停產(chǎn)時(shí)間。許多YAG中使用的燈和半導(dǎo)體陣列的使用壽命分別約為2000小時(shí)和20000小時(shí)，僅相當(dāng)于IPG單芯結(jié)10萬小時(shí)平均無故障工作時(shí)間的幾分之一，這意味著在激光器的使用壽命內(nèi)，您不必更換模塊。如果您使用全固態(tài)光纖轉(zhuǎn)光纖激光器的話，會(huì)節(jié)省更多，因而不需要像傳統(tǒng)的激光器那樣進(jìn)行光學(xué)裝置調(diào)整或維護(hù)，如共振腔鏡、晶體、液體、濾光片。
d. 維護(hù): 光纖激光器不需要維護(hù)或者僅需少量維護(hù)，具體取決于輸出功率及其它因素，而傳統(tǒng)激光器則不然。不需要調(diào)整光學(xué)裝置，沒有預(yù)熱時(shí)間和消耗品/備用件。從而為您節(jié)省一大筆維護(hù)費(fèi)用。
e. 資本成本: 一臺(tái)光纖激光器可同時(shí)完成切割、焊接、鉆孔等多種操作，使您不必針對(duì)不同的操作單獨(dú)購(gòu)置不同的激光系統(tǒng)，從而降低您的投資成本。
17. IPG有多大？
· IPG在2007年末時(shí)是世界第四大激光光源生產(chǎn)商（按照總銷售額計(jì)算）。
· 由于眾多行業(yè)和應(yīng)用越來越認(rèn)可IPG全固態(tài)光纖激光器產(chǎn)品，因而在2007年，IPG的銷售額增長(zhǎng)了32%，從2006年的1.43億美元增至1.89億美元。
· IPG在美國(guó)、德國(guó)、意大利、俄羅斯總的生產(chǎn)面積超過40萬平方英尺。
· IPG在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、意大利、俄羅斯、日本、中國(guó)、韓國(guó)、印度設(shè)有銷售和服務(wù)中心。聯(lián)系我們
· IPG共有1300多名員工。
· IPG已在納斯達(dá)克全球市場(chǎng)上市，上市名稱為“IPGP”。
