光纤激光焊接技术.doc

光纤激光在焊接工业中的应用
    随着高亮度激光的最新发展，在许多全新的领域中，激光材料加工应用的机会不断增加。我们以技术非常成熟的宝石棒结构固体激光器为例，其相关的两个完全不同的发展方向值得关注。一方面，宝石棒的将其直径扩大，而长度减少为几百个微米，这就成就了盘式激光器。另一方面，将棒的长度加大，直径减小，这就成为光纤激光。 

    谈到光纤激光，光纤的长度保证了光束质量接近衍射极限（在给定波长的激光中，理论极限，或最小可能的聚焦尺寸）。这种激光的谐振腔无须进行任何调整，光束质量是被光纤的物理特性所规范。光纤激光除了以上的两大优势之外，还应当了解，其泵浦能量可以通过传输光纤进行耦合，传输至有源光纤或受激光纤，从而免去了二极管泵浦源到光纤激光的光学调整的繁琐的过程。 

    图 1 指出不同工业激光的光束质量参数(BPP) 与输出功率的关系。其中BPP 值越小表明光束质量越好。与其它激光相比，光纤激光表现出更好的光束质量（只有在5千到一万瓦范围内略逊于二氧化碳激光器）。在Fraunhofer 我们一致认为，光纤激光具有更为广阔的未来。  

    在德国的Dresden， Fraunhofer IWS 以及在美国密执根的Plymouth的IWS 分支机构中我们拥有以下表格中的各种光纤激光可以用于工业加工发展的研究。  

    这些光纤激光具备以下特点：体积非常小，在泵浦源与最终的光学聚焦系统之间没有任何需要进行准之调节的零件，无须进行任何调整，很高的电光转换效率 (25-30 %)。此外，光纤激光具有非常优秀的光束质量和超长的泵浦源寿命（超过5万小时）。我们可以使用很小的扩束准直系统，进而可以使用尺寸很小的振镜系统进行高速光束操控。  

    15微米直径的光纤长度限制在数米范围内，因为存在拉曼散射效应， 它将在使用较长的光纤传输时减少输出能量。而50微米的光纤限制在15米长度以内， 100和200微米的光纤长度没有限制！  

    如果使用光闸或纤-纤耦合接头，必须使用100微米的光纤出， 50微米的光纤进，或使用200微米的光纤出，100微米的光纤进。以上两种状况光束质量可以达到8mm.mrad。这与盘式激光相当，而焊接的结果，两种激光器非常接近。  

    综合起来，在 Fraunhofer使用的光纤激光系统非常稳定，没有发生过任何问题。而灯泵浦系统本身则存在非常多的常规问题。有些其它的光纤激光用户提到过，在操作中的光学反射问题，到目前为止对我们而言还没有造成任何困扰。我们的试验数据表明，光学反射没有对激光器的输出功率造成任何影响。即使如此，我们在实际操作中不主张使用与工件垂直的光束设计，而使用微微倾斜6度左右的角度。在切割和焊接钢材和铝材时没有发生任何问题，但同样的操作，工件为铜材时，情况较为复杂，需要很小心地进行处理。  

    在我们的研究中，由于光纤激光优秀的光束质量，焊接的深度和速度可以达到与电子束焊接相当的细窄焊缝。图2显示实际焊接的效果。 4千瓦光纤激光焊接8毫米厚的普碳钢板（汽车齿轮箱中的机构）。  

    对于低变形焊接，光纤激光看来是当前最佳的选择。 这不但在齿轮传动机构中有广泛的应用，在远程焊接中同样有着很大的优势。 

    由于极高的光束质量，我们可以使用非常紧凑、小巧的聚焦和扫描光学系统，而无须改变焊接参数， 同时适用于远场技术。在这两种情况下， 激光优秀的光束质量会生成特定的焊接等离子体，（与Nd:YAG 和盘式激光相比），一定要使用保护气体，否则会发生吸收和主体散射效应。 

    图3 显示光纤、盘式、Nd:YAG和CO2 激光系统的焊接速度对应与深度的试测数据。由于我们有限的CO2激光的能量范围，我们仅就3.5千瓦的CO2激光进行了对比试验。盘式激光的焊接数据有些偏离，因为我们使用的是4kW 输出功率的TRUMPF’s HLD4002 盘式激光。同样，我们使用了其它光纤激光的数据，BIAS Bremen 的4.0kW YLR7000 光纤激光 (300 微米光纤)。总之，以下数据表明并非不同的激光会造成不同的焊接结果，而是不同的光束质量。正如两种不同光束质量，其它参数极为接近的光纤激光，试验结果却截然不同。  

    结论可以这样声明，高功率光纤激光非常适合用于不同的焊接和切割应用。高光束质量，提供更多其它激光系统无法提供的机会和更好的表现。 

    另外一方面， 购买一个激光器还应当考虑许多的重要的因素，其中包括投资费用、运行费用、维护和维修费用等。然而，最重要的一点是在最终的结果必须能够不断重复，这就要求光束质量必须非常稳定，它是一个最重要的基本因素。 

    最后，我们可以这样宣称，随着高功率光纤激光的发展，在材料加工领域我们已经迈进了一个新的激光世纪！
光纤激光器常见问题解答
1. 我现在使用的是灯泵浦YAG激光器，改用光纤激光器会给我带来哪些好处？
· 光纤激光器的电光转换效率高达28 %，而灯泵浦YAG激光只有1.5%～2%
· 不用更换灯管，因而更加省钱：光纤激光器中使用了寿命长达10万小时的电信级单芯结半导体激光管
· 所有功率级的光斑大小和形状都是固定的
· 免维护或低维护
· 备件极少
· 风冷或基本不需要冷却
· 体积相当小
· 工作距离更长
· 不需要调整
· 无需预热，立即可用
2. 哪里能够买到光纤激光器的光束传送部件？
目前，所有第三方光束传送部件制造商都可提供光纤激光器使用的光束传送部件，IPG可为您提供制造商名单。
3.原有的YAG光束传送部件是否还能使用？
基本可以，但是需要使用适配器对IPG光纤连接器进行转换。有些情况下为了充分发挥光纤激光器的优势，需要提高焦距。
4. 这些激光器产品是否能够集成在我现在的工作单元内？
可以，光纤激光器配备了各种工业接口，能够很容易地对接标准的工业控制装置。
5. 有提供交钥匙服务的系统集成商吗？
有，有许多多年从事光纤激光器交钥匙服务的系统集成商，IPG可提供交钥匙服务集成商和OEM的名单。
6. 光纤激光器有质保服务吗？
在业内，IPG提供的质保期最长：光纤激光器的标准质保期为购买后整2年时间，IPG最长可提供8年质保期，详情请与我们的销售人员联系。
7. 哪里能够实际观摩到光纤激光器产品？
IPG在许多地方设有应用开发设施，包括马萨诸塞州牛津市、密歇根州的底特律市、德国的Burbach市、日本的横滨市，目前我们正计划在俄罗斯、中国和牛津总部建立增设新的应用开发设施。另外，我们还在北美、欧洲、亚洲的多所大学内设有光纤激光器技术研究中心。
8. 你们的竞争对手说你们的光纤激光器存在后向反射的问题，是真的吗？
说这些话的人并不熟悉光纤激光器技术，如果传送光纤选择合适的话，我们的数千瓦功率低模光纤激光器不会发射后向反射问题。单模激光都很少出现这种问题。但是，如果后向反射太高的话，设备一旦检测到会自动关闭。使用隔离器也能消除该问题。IPG已经有无数的设备应用在铜和铝等高反光材料的切割和焊接领域。
9. 为什么别的厂家反映它们的半导体阵列使用寿命较短？
激光阵列（又名整体激光半导体阵列）由多个并联安装于晶体材料发光体组成，由于发光体之间的连接区域热密度大，热干扰强，半导体阵列必须采用软焊料（铟）安装在铜材料上，并且采用水冷装置，该装置利用流过铜材料中的细微镀金沟道（被称为微沟道冷却器）的高速、高压水流实施主动式冷却。但是，系统中的冷却水必须保持极度清洁且PH值中性，原因是沟道由于受穴蚀和侵蚀的影响会在相当短的时间内坏掉。而保持水质标准是相当困难的，尤其在工业环境下。铜散热材料和半导体阵列半导体属于完全不同的材料，包括其热膨胀系数。在实际工作状态下，由于频繁的开关操作，半导体阵列的性能下降非常快，比制造商在确定设备特性时使用恒定驱动电流的状态下要快得多。
导致半导体阵列发射故障的其它原因来自半导体阵列自身，半导体阵列的寿命通常由其“最弱”的发光体决定。为了提高半导体阵列性能和散热能力，通常使用导热性能好的铟作为软焊料连接阵列与微沟道冷却器。当驱动电流很大时，铟会发射电迁移现象，进而在瞬间发生故障。
许多半导体阵列制造商往往根据使用时间长短确定其使用寿命。而IPG的单管散热材料与半导体芯片的热膨胀系数相同，IPG使用的电信级硬焊料不存在电迁移问题，根据光纤激光器的大小，IPG激光器或者采用高速风扇进行风冷，或者在散热装置下方采用不锈钢管路进行水冷，二极管不会与冷却水发生接触。半导体光纤通过光纤直接送至激活介质实现接续，从而避免了空气与激光介质接触而造成污染。单管的寿命与其工作电流之间存在直接关系，所有工业IPG光纤激光器半导体的设计电流使其使用寿命（平均无故障工作时间）能够达到10万小时以上。IPG Photonics半导体光源的寿命并非单独确定，而是与光纤激光器或放大器的整个质保期相同。
10. 为什么你们对自己的二极管使用寿命有如此的信心？
在装入激光器或放大器之前，IPG 光子首先对半导体光源进行100%的测试，测试的时间一般超过1500小时，其温度和电流等测试条件是相当严格。只有通过测试的管子才能在设备中使用。无论10kW材料加工光纤激光器中使用的单管还是电信行业使用的宽带光纤放大器使用的激光管，都要经过类似的测试流程。IPG是当今世界上半导体测试项目最多的单管制造商， 已经应用于实际生产中的650多台数千瓦光纤激光器（其中许多已达5年之久）充分证明了这一点。.
11. 为什么IPG采取全纵向集成的生产战略？
主要原因有三:
· 第一，IPG所用的许多部件在市面上无法买到，或者无法满足高功率光纤激光器严格的使用要求。
· 第二，这样做有利于IPG进一步优化部件系统，更快地响应客户需求，缩短产品推向市场的时间。
· 第三，有利于IPG严格控制成本，从而使客户实现效益最大化。
12. 如何确定光斑大小？
方法非常简单，对于光纤激光器而言，这是一个光纤输出在工件上成像的过程。光斑大小等于光纤直径乘以准直器的放大率和最终聚焦透镜直径。例如，如果光纤直径等于50μm，准直器的焦距等于 60 ，最终聚焦透镜 的焦距等于300mm，则最终光斑尺寸等于SS= 50x 300/60= 250微米。光纤直径、准直器、最终聚焦透镜可根据光斑大小要求进行调整。光斑大小不随额定功率的5% ～ 105%动态范围发生变化，对于单模激光器，在使用低阶模激光遮蔽装置时，光斑大小为高斯光束光斑。
13. 同一台光纤激光器能够同时进行切割和焊接吗？
同一台激光器能够进行切割、焊接、钻孔和熔覆。许多客户购买了采用2路、4路或6路光闸的光纤激光器，例如，当光闸在其中一个位置时采用100μm光纤用于切割，200μm用于焊接，400μm或400μm以上用于熔覆或热处理。设备功率和传送光纤的切换只需几毫秒时间，传送光纤可支持200米间隔的多个工位。
14. IPG最近为什么又推出了CO2激光器？
IPG最近推出了第一代CO2气体激光器，输出功率1 ～ 3 kW，光谱范围10.6μm。这款新的IPG CO2激光器的专利权属于IPG，与现在市面上传统的CO2 激光器相比效率更高、体积更小，非常适合处理非金属材料。
虽然光纤激光器在金属焊接、熔覆、烧结和钎焊等众多领域内正在逐步取代包括CO2激光器在内的传统激光器，但是像聚合物和有机材料等非金属材料使用10.6μm光谱范围的CO2气体激光器处理效果会更好。另外，无数的客户都表达了以更加现代的产品取代自己传统CO2激光器的兴趣。IPG希望随着这款经过改进的CO2激光器的推出能够满足这些客户的需要。
15. 为什么光纤激光器比固态和气体激光器效率更高？
答案很简单――在设计上，光纤激光器产生的热量更少，对所产生热量的管理更为有效。掺镱半导体泵浦光纤激光器（泵浦波长980 nm）比掺钕YAG二极管泵浦激光器（泵浦波长808 nm）的量子亏损（即泵浦能量和发生能量之差）低。另外，光纤激光器的光光转换效率通常为70-80%，而泵浦YAG仅约为4%，半导体泵浦YAG和盘形激光器约为40%。由于激光始终被包含在光纤内，因而激光腔内不会存在其它导致激光损失的因素。
16. 如果我改用光纤激光器会节省多少成本？
用户如果在生产中采用光纤激光器会节约相当大的成本，具体节约多少取决于用户的当前工艺、材料、生产环境、电气和劳动力成本。节约主要体现在以下方面:
a. 电光转换效率更高：现有传统激光器技术的效率与光纤激光器是无法相比的。
类型
电光转换效率
掺镱光纤激光器
28%+
灯泵浦YAG
1.5-2%
二极管泵浦YAG
10-20%
盘形激光器
15-25%
CO2:
5-15%

b. 冷却: 由于光纤激光器的效率高，因而对冷却的要求就低，用电就少。小功率光纤激光器只需要空气冷却即可，高功率光纤激光器采用水冷，与其它同等的激光器技术相比更加简单，成本更低。冷却还取决于生产环境的特殊性。
c. 消耗品/备用件: 由于光纤激光器采用了更加高效的设计（热量管理效率更高）和采用了电信级单芯结泵浦源，因而为您节省了备用件（例如灯和半导体阵列）、劳动力和停产时间。许多YAG中使用的灯和半导体阵列的使用寿命分别约为2000小时和20000小时，仅相当于IPG单芯结10万小时平均无故障工作时间的几分之一，这意味着在激光器的使用寿命内，您不必更换模块。如果您使用全固态光纤转光纤激光器的话，会节省更多，因而不需要像传统的激光器那样进行光学装置调整或维护，如共振腔镜、晶体、液体、滤光片。
d. 维护: 光纤激光器不需要维护或者仅需少量维护，具体取决于输出功率及其它因素，而传统激光器则不然。不需要调整光学装置，没有预热时间和消耗品/备用件。从而为您节省一大笔维护费用。
e. 资本成本: 一台光纤激光器可同时完成切割、焊接、钻孔等多种操作，使您不必针对不同的操作单独购置不同的激光系统，从而降低您的投资成本。
17. IPG有多大？
· IPG在2007年末时是世界第四大激光光源生产商（按照总销售额计算）。
· 由于众多行业和应用越来越认可IPG全固态光纤激光器产品，因而在2007年，IPG的销售额增长了32%，从2006年的1.43亿美元增至1.89亿美元。
· IPG在美国、德国、意大利、俄罗斯总的生产面积超过40万平方英尺。
· IPG在美国、德国、英国、意大利、俄罗斯、日本、中国、韩国、印度设有销售和服务中心。联系我们
· IPG共有1300多名员工。
· IPG已在纳斯达克全球市场上市，上市名称为“IPGP”。