高功率IPG光纤激光器应用简介

高功率IPG光纤激光器应用简介

一、IPG光纤激光器简介

1.光纤激光器简介

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。

2.光纤激光器的优势

首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率（至五万瓦级）。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。

3.IPG简介

全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。

十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。

高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率（>1KW）光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工（切割、焊接、熔覆、快速成型等）方面。

二、高功率光纤激光应用领域

1.激光焊接领域的应用

光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。

图1.激光焊接的应用

2.激光切割领域的应用

波长1070 nm的掺镱光纤激光器是激光切割的理想光源，光纤激光器在切割领域的部分优点包括工作波长、数千瓦功率、良好的波束质量、有效功率范围大、功率稳定、光斑小。光纤激光器的动态工作功率范围非常大，即使激光功率发生变化，光束焦点及其位置依然保持固定，从而使每次的处理结果始终保持一致。通过改变光学装置的配置可大范围的改变光斑尺寸，从而允许终端用户根据切割材料和壁厚选择相应的功率密度。光纤激光器光束质量高、光斑小、脉冲能量高，非常适合薄材料的精细切割。脉冲切割方式产生的熔渣和热影响区（HAZ）极小，是许多微加工领域必不可少的切割方式。光斑小，功率密度就高，相应的切割速度就快，切缝质量好。光纤激光器脉冲调制切割的例子包括心血管支架切割、太阳能电池板硅片切割、模具切割等。高功率多模激光通常用于薄板材和厚板材的连续切割。由于景深大、光斑小，因而厚金属切割时形成的切口小，切壁直。高功率多模激光的常见应用领域包括汽车车身零件的3-D切割，如液压成形管件、耐高温钢等，航空领域铝、钛合金材料的铆钉孔切割，造船和钢铁行业的厚钢板切割。图2展示了光纤激光切割的过程。

图2.激光切割的应用

3.激光表面处理应用

激光是使各种工具和表面硬化的优质热源。这种热源能够使材料的金相结构发生变化，使表面硬化，从而提高材料的耐磨性。表面硬化处理所选择的激光类型主要取决于零件本身，绝大多数硬化应用需要使用连续光束，例如绝大多数工业工具上使用的轨道的硬化。部分精密/微小零件的硬化需要使用脉冲激光。通常任何激光都可用于硬化处理，主要看它们能否达到所要求的硬化深度和硬度。图3展示了激光表面处理的应用。

图3.激光表面处理的应用

三、国内高功率光纤激光应用实例

北京工业大学激光工程研究院和宝钢股份宝钢分公司采用IPG YLR一6000光纤激光器对宝钢生产的汽车用700Mpa1.5mm厚高强钢板进行了焊接试验，并对焊接样品的焊接区和母材进行显微组织分析。结果表明焊接区域经过激光快热快冷后形成均匀细小的等轴晶，平均晶粒尺寸较母材细小。对焊接后样品进行力学性能测试，试样的断裂位置为母材，表明焊接对母材的力学性能的影响不大，可以使用光纤激光实现车用高强钢的高质量焊接。

目前华工法利莱推出技术领先的三维光纤激光切割机，通过龙门固定倒挂机器人或立式固定机器人底座、光纤激光器柔性传输高品质的激光到切割头、独立开发的PLC集成控制机器人、激光器等部件对汽车三维零件进行异形加工。该设备主要生产零件厚度在

0.5-2mm，具有方便三维零件的加工、投资成本低、使用成本维护低、操作简单等特点。法利莱三维激光切割机打破了国外对这块市场的垄断，取得了重大的技术突破，填补了国内空白，它代替了传统的加工方式，降低了模具投资，大大缩短了汽车制造商和零部件配套商的开发周期，提高加工效率和切割工件的精度，降低了生产成本。图4为法利莱的三维激光切割机。