千瓦級光纖激光器技術(shù)已趨于成熟
光纖激光器將主動(激光增益)光纖與一個或多個泵浦激光器(通常是激光二極管)結(jié)合在一起。光纖激光器有許多類型,包括低功率連續(xù)(CW)激光器、低能量和高能量脈沖激光器,這其中又包括超快光纖激光器。但是提起光纖激光器,也許很多人想到只是千瓦級連續(xù)光纖激光器,這類光纖激光器主要用于材料加工,包括切割、焊接、釬接、表面處理及其他諸多應(yīng)用,并且光纖激光器正研究用于軍事領(lǐng)域作為定向能武器。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201606/292431.htm光纖本質(zhì)上是一種非常細(xì)的長棒,這種構(gòu)造使其成為兩種具有特別高的表面積與體積比的激光器中的一種(另一種是碟片激光器——寬的、極短的棒),這類激光器更容易保持冷卻。光纖激光器的結(jié)構(gòu)相對比較簡單,易于維護(hù);而且這類激光器體積緊湊,并且由于采用激光二極管泵浦,堅(jiān)固且壽命長。
大范圍的功率和波長
IPG Photonics公司市場開發(fā)經(jīng)理Alexei Markevitch概述了千瓦級光纖激光器的波長和功率范圍。“IPG公司生產(chǎn)波長為1μm(摻鐿光纖)和1.5μm(摻鉺光纖)的標(biāo)準(zhǔn)千瓦級CW激光器,同時也生產(chǎn)波長為2μm(摻銩光纖)的定制千瓦級光纖激光器,以及通過拉曼頻移實(shí)現(xiàn)的波長在1.1~1.7μm之間的激光器。”他說道,“較長的波長使得非金屬材料加工和其他新應(yīng)用成為可能,并且被認(rèn)為是人眼安全的,因?yàn)檫@些波長處的人眼損傷閾值比在1μm波長處高出很多數(shù)量級。”
Markevitch指出千瓦級光纖激光系統(tǒng)工作在CW或高達(dá)5kHz的調(diào)制模式下,并具有從10%到全功率、且光束發(fā)散或光束輪廓無變化的動態(tài)范圍。
Markevitch介紹說,在1μm波段,IPG公司的單模YLS-SM摻鐿光纖激光器能提供1~10kW的功率范圍。這些單模系統(tǒng)用于那些需要極高功率和極高亮度的先進(jìn)材料加工應(yīng)用中,例如精細(xì)切割和表面結(jié)構(gòu)化、高反射率金屬的切割、微焊接、燒結(jié)和雕刻,以及遠(yuǎn)程加工和定向能應(yīng)用。
“IPG公司的多模YLS摻鐿CW光纖激光器,提供1~100kW的功率范圍,甚至可以根據(jù)客戶要求定制高達(dá)數(shù)百千瓦的激光器。”Markevitch表示,“它們具有許多用途,包括切割、鉆孔、釬接、焊接、退火、熱處理和熔覆。隨著設(shè)計(jì)的不斷完善,標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)YLS系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了超過40%,業(yè)界記錄的YLS- ECO系列的電光轉(zhuǎn)換效率超過50%。”
相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的應(yīng)用,例如焊接、鉆孔和精密切割——“這是一種前所未聞的能力。”Markevitch說道,“高亮度允許使用長焦加工透鏡,用于大大改進(jìn)場深,并將對光學(xué)元件的損傷降到最低。”
雖然高亮度多模激光器在材料加工應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,但是單模千瓦級CW激光器正在贏得越來越多的關(guān)注,因?yàn)樗鼈兛梢允鼓切┬枰逤W峰值功率、極小光斑尺寸、和/或遠(yuǎn)程加工能力的新應(yīng)用成為可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些應(yīng)用,包括用于篩選和過濾的不銹金屬的高速切割、陽極和陰極電池箔的遠(yuǎn)程切削、銅(Cu)和鋁(Al)箔的遠(yuǎn)程和氣體輔助高速切削,以及最小畸變薄金屬的大高寬比窄焊接。
Markevitch強(qiáng)調(diào)的千瓦級CW單模激光器應(yīng)用的一項(xiàng)特定案例,是在汽車工業(yè)中的鑄鐵和鋁發(fā)動機(jī)的微結(jié)構(gòu)加工。環(huán)境法規(guī)對更低能耗、以及減少污染和二氧化碳排放量的要求,需要更薄、更輕的發(fā)動機(jī)。一種具有減薄壁厚的馬達(dá)模塊的新型設(shè)計(jì),輔以激光材料加工,使得每個氣缸可減少1公斤的重量。
為了獲得更高的機(jī)械阻力并優(yōu)化熱傳導(dǎo),氣缸周圍噴有較薄的等離子體涂層(見圖1)。在實(shí)施熔覆加工之前,氣缸表面加工有微結(jié)構(gòu)槽,微結(jié)構(gòu)的典型特征尺寸為100μm或者更小。
圖1:采用IPG公司的2kW單模光纖激光器為汽車發(fā)動機(jī)加工的孔的圓筒形表面,然后采用等離子噴涂產(chǎn)生硬涂覆,取代傳統(tǒng)的氣缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到氣缸上。
以往這種表面結(jié)構(gòu)化都采用機(jī)械或水射流加工。這些傳統(tǒng)技術(shù)有種種弊端。例如,機(jī)械加工效率較低,只能垂直于表面進(jìn)行,且處理不同零件和槽尺寸時需要更換工具。水射流具有非常高的功耗(每個噴嘴120kW),以及較大的耗水量(水受鋁污染),在鋁中產(chǎn)生海綿效應(yīng),需要在真空腔內(nèi)干燥,并且只能在鋁零件上完成。
“額定功率為2kW的單模YLS-2000-SM激光器,可以加工鐵(Fe)和鋁(Al)零件,易于適應(yīng)處理不同直徑且具有不同深度(深達(dá)30μm)的槽的零件,最大功耗為5.5kW。”Markevitch解釋道,“還可以實(shí)現(xiàn)不同的凹槽角度。槽的質(zhì)量和生產(chǎn)率相比傳統(tǒng)技術(shù)均大大改善。”
模塊化設(shè)計(jì)
美國Lumentum公司激光器產(chǎn)品與技術(shù)高級主管Erik Zucker,描述了該公司的Corelight千瓦級CW光纖激光器產(chǎn)品線的模塊化特點(diǎn)和內(nèi)部運(yùn)作。“我們的基本構(gòu)建模塊是一個輸出功率超過2kW的雙包層光纖、單振蕩器模塊,”他解釋說,“可以將幾個這種模塊組合在一起,通過單光束提供明顯更高的功率。我們的光纖激光器主要用于2D金屬板切割,包括低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅和黃銅等多種材料。它們也可以用于金屬焊接、釬焊和熔覆應(yīng)用。”
2kW光纖激光器模塊由單光纖振蕩器構(gòu)成;該單光纖振蕩器構(gòu)成通過Lumentum公司的ST系列高亮度、光纖耦合激光二極管陣列進(jìn)行端面泵浦,Zucker表示該泵浦激光器也是由他們公司自己設(shè)計(jì)和制造的(見圖2)。
圖2:6kW的Lumentum光纖激光器包含三個2kW的模塊和一個光纖合束器模塊(a)。該光纖激光器由該公司的ST系列高亮度光纖耦合激光二極管泵浦(b)。
“每個泵浦源從106μm芯徑的光纖中產(chǎn)生140W的輸出功率,電光轉(zhuǎn)換效率高于50%。”他解釋說,“多根泵浦光纖與單根光纖熔接在一起,再熔接到振蕩器的一端。光纖布拉格光柵確定了腔和輸出耦合器。由于2kW的功率是從單個模塊產(chǎn)生的,光束參數(shù)乘積(BPP)很小,通常為0.8mm-mrad。這允許將大景深的小光斑直徑聚焦到金屬切削應(yīng)用的工件表面,反過來又產(chǎn)生了非常高的強(qiáng)度,形成極其有效的切割。”
Zucker指出,采用Lumentum公司光纖激光器的2kW輸出,可對25mm厚的低碳鋼進(jìn)行切割,而4kW的CO2激光器只能切割厚度最大為22mm的鋼材。小的BPP帶來快速切割:例如,4kW的功率能夠以75m/min的速率切割1mm厚的鋁;而6kW的功率能以94m/min的速率切割1mm厚的鋁。
日本Amada公司是Lumentum公司的一家研發(fā)伙伴和客戶,該公司將2kW激光器整合到其切割工具中。2kW激光器的小BPP,使部件能具備一種被稱作ENSIS的性能,允許對工件上的光斑尺寸進(jìn)行動態(tài)電調(diào)節(jié)。對于自動切割工作,Zucker介紹說,ENSIS可以無需操作員干預(yù),從薄到厚金屬切削進(jìn)行調(diào)整,提高加工車間的生產(chǎn)率。
將光輻照到工件
德國羅芬公司生產(chǎn)輸出功率500~8000W之間的CW高功率光纖激光器(FL系列),提供多種方案將激光器輸出光輻照到工件上。該公司的激光器可以配備直接熔接光纖獲得單?;蚨嗄9馐|(zhì)量;或者配備光纖至光纖耦合器或光纖至光纖開關(guān),獲得多模光束質(zhì)量,這種方案允許用戶插入多達(dá)四根光纖,用于串行或并行光束應(yīng)用,羅芬公司的激光光源產(chǎn)品經(jīng)理Wolfram Rath介紹說。
帶熔接光纖的型號更加緊湊,為單機(jī)柜;而帶光開關(guān)的型號具有獨(dú)立的附件,實(shí)現(xiàn)光束管理。該激光器用于切割、焊接和表面處理,以及各種由集成掃描頭加工支持的、基于掃描頭的應(yīng)用。
Rath介紹說,F(xiàn)L系列光纖激光器使用大模場面積雙包層光纖作為增益介質(zhì)。“包括主動單模纖芯和大直徑包層,光束在其中傳播,”他指出,“長壽命泵浦模塊出射的泵浦光,通過泵浦耦合器從兩側(cè)送入包層。它們?yōu)楸粍永鋮s,容忍獨(dú)立的單個故障,需要時可以在現(xiàn)場進(jìn)行更換。諧振腔鏡通過刻寫光纖布拉格光柵(FBG)形成。”
單個光纖激光器模塊的激光輸出功率達(dá)到2.4kW,額定功率為2kW。通過全光纖功率合束器,可以組合多達(dá)四個光纖激光器單元,獲得8kW的總額定功率,這可以通過多達(dá)四根100μm芯徑的加工光纖傳輸至加工單元。
圖3:羅芬公司基于掃描頭的光纖激光器正在進(jìn)行汽車零部件焊接。
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