200W光纤激光器应用

SPI 200W光纤激光器的应用

一、激光焊接------一般应用500w到20kw的激光器

1、激光焊原理

激光焊采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于，它有着超乎寻常的加热能力，能把大量的能量集中在很小的作用点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。

当激光光斑上的功率密度足够大( >106 W/ cm2 )时，金属在激光的照射下迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高至沸点，金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开金属熔池的表面，产生一个附加应力反作用于熔化的金属，使其向下凹陷，在激光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行，激光可以直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续深入。光斑密度很大时，所产生的小孔将贯穿于整个板厚，形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固形成的焊缝如图1 所示。

2、激光焊接设备

激光焊接设备主要由激光器、光导系统、焊接机和控制系统组成如图2 所示。

1. 激光器

用于激光焊接的激光器主要有CO2 气体激光器和YAG 固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2 激光器比YAG 激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在6 ～15kW 范围。YAG 激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微连接。近年来，国外在研制和生产大功率YAG 激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。由于其波长短，仅为CO2 激光的1/ 10 ，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，简化光导系统。因此，大功率YAG 激

光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为CO2 激光焊接强有力的竞争对手。

2. 光导和聚焦系统

光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤以及聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态及方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件尤其是透镜性能会劣化使透过率下降，产生热透镜效应，表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。

3. 焊接机器人

由于激光- MIG 复合焊接技术对焊接接头的装配精度要求较低，所以可以不必采用激光钎焊机器人的设计方式，既区别于常规的绞臂式焊接机器人，也无需设计焊缝自动跟踪矫正系统以及激光在线检测系统，这样可以大大降低工装设备的成本投资，降低工装设计的复杂程度。

3、激光焊接方法的特点

激光焊接方法具有如下特点：

( 1) 能量密度高、适合于高速焊接。

( 2) 焊接时间短、材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合高熔点、高硬度加工。

( 3) 无电极、工具等的磨损消耗。

( 4) 对环境无污染。

( 5) 可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。

( 6) 很容易改变激光输出焦距及焊点位置。

( 7) 很容易搭载到机器人装置上。

激光复合焊接技术具有显著的优点。对于激光复合焊接，优点主要体现在： 无烧穿时焊缝背面下垂的现象，适用范围更广；对于激光- MIG 焊接，优点主要体现在：较高的焊接速度、熔焊深度大、产生的焊接热少、焊缝的强度高、焊缝宽度小及焊缝凸出小，从而使得整个系统的生产过程稳定性好，设备可用性好及焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小，焊接生产工时短、费用低、生产效率高。

4、光纤激光的在焊接中应用

IPG光子公司在金属加工领域出售的绝大部分的大功率光纤激光器的功率

在10千瓦以内，其工厂和总部设在牛津，另外在欧洲还有另外两个制造工厂。其核心技术：独有的活性光纤和获得专利的泵浦技术使多组态半导体激光器比线性阵列半导体激光器有着更广阔的应用领域。因为其使得半导体激光器达到很长的工作寿命。其设备可能由掺镱多包层光纤绕圈构成，其工作波长为1.07至1.08微米。还可能是掺铥，波长为1.8至2.0微米或掺铒，波长为1.54至1.56微米。半导体激光器泵浦能量通过被叠成多包层线卷的多组态光纤传导到活性介质中。在活性光纤里直接生成了激光谐振腔。激光通过被动单模光纤特有的直径为6

微米的纤芯进行传导。最终激光束的衍射基本上被限制住，并且当配备有内置校准器时，产生的光束极其平行。例如，100瓦的单模光纤激光当聚焦直径为5毫米时在半角具有的全角发散角为0.13毫弧度。

工业用单模IPG光纤激光器的最大功率通常为200瓦。更高功率的激光器的生产需用光纤激光组束技术。将各个光纤激光的输出通过组合器组合为一束，成为单一的高质量的激光束。例如，一个1000瓦的激光器会由10个单独光纤激光组合而成。尽管此时的激光束已不再是单模的，但其光模质量因子M2为7~10，比大功率的固态激光器要好。300微米光纤可传输7千瓦的光纤激光。多种不同形状包括产生近似矩形截面光束的光纤都能被生产出来。

掺镱光纤激光器的效率是16~20%。掺铒和掺铥光纤激光器的效率稍低，但仍比典型的YAG激光器高得多。获得最好的波长选择是其必然的应用。由于工业生产的需要，具有Nd:YAG激光器的性能并且对眼的安全比CO2 好的激光器将被

生产出来。公司的单模CW系统能在脉冲周期短至10毫秒时，被调制到5000Hz。脉冲周期短至1纳秒或在100纳秒脉冲内脉冲能量不超过1毫焦耳的三种叠加脉冲激光器和功率从300瓦到10千瓦的多模CW激光器已面市。

光纤激光技术为工业用户提供了诸多益处。不需冷却器的光模质量因子为0.5M2的4千瓦光纤激光器比之传统的11M2的气体放电灯泵浦的Nd:YAG固体激光器自有着天渊之别。因为不需更换闪灯或半导体，它们在整个使用寿命里不需维护及维修。极高的用电效率大大的减少了使用成本。更好的激光束质量让用户可以享用比传统激光器的大影响区和/或长的工作距离优越很多的直径极小的光斑（1千瓦激光能被4英寸透镜聚焦成50微米）。

光纤激光技术的成本呢？低于1000瓦输出功率的光纤激光器比灯泵浦的YAG激光器低或与之差不多。但这时大于1000瓦的光纤激光器的购入成本较高。然而，当将所有的因素考虑进去—-占地面积，冷却器，维护费用等等，光纤激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉价得多。在最近半年内，多台几千瓦级的光纤激光器正处于在欧洲工厂的第二测试版本的运行环境中。这些激光器在多班倒的工作强度下至今没出任何问题，就其可靠性，达到相同的效果以往只能是用功率大得多的激光器。2千瓦的Beta测试版光纤激光器已经在实验室里焊接1.2mm的汽车镀锌板达到5m/min的焊接速度。而其质量和性能堪比使用4千瓦的灯泵浦Nd:YAG激光器。末端光纤直径为300微米的2千瓦光纤激光器能以

10m/min的速度切割4mm厚的带镀层板，且无毛刺。最大的切割速度可达16m/min。

再来看看7000瓦的光纤激光器与弧焊工艺相结合的情况，在Fronius（福尼斯）-Wels总部研发部的LaserHybrid激光复合焊实验室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金钢板。

小功率激光焊接的产品：

和牌YAG激光焊接机是利用高能脉冲激光实施工件间的焊接，脉冲氙灯作为泵浦；首先由脉冲激光电源点亮氙灯，并输出恒定小电流使氙灯处于预燃状态，再由控制系统来控制脉冲激光电源使氙灯放电，并产生一定脉宽和频率的光波，光波在激光聚光腔内照射