隨著高亮度激光的最新......



隨著高亮度激光的最新發(fā)展，在許多全新的領(lǐng)域中，激光材料加工應(yīng)用的機(jī)會(huì)不斷增加。我們以技術(shù)非常成熟的寶石棒結(jié)構(gòu)固體激光器為例

，其相關(guān)的兩個(gè)完全不同的發(fā)展方向值得關(guān)注。
一方面，寶石棒的將其直徑擴(kuò)大，而長(zhǎng)度減少為幾百個(gè)微米，這就成就了盤(pán)式激光器。另一方面，將棒的長(zhǎng)度加大，直徑減小，這就成為光纖

激光。
談到光纖激光，光纖的長(zhǎng)度保證了光束質(zhì)量接近衍射極限（在給定波長(zhǎng)的激光中，理論極限，或最小可能的聚焦尺寸）。這種激光的諧振

腔無(wú)須進(jìn)行任何調(diào)整，光束質(zhì)量是被光纖的物理特性所規(guī)范。光纖激光除了以上的兩大優(yōu)勢(shì)之外，還應(yīng)當(dāng)了解，其泵浦能量可以通過(guò)傳輸光纖

進(jìn)行耦合，傳輸至有源光纖或受激光纖，從而免去了二極管泵浦源到光纖激光的光學(xué)調(diào)整的繁瑣的過(guò)程。
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(wàn)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(lái)。
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(méi)有任何需要進(jìn)行準(zhǔn)之調(diào)節(jié)的零件，無(wú)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(guò)5萬(wàn)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(méi)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(pán)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(lái)，在 Fraunhofer使用的光纖激光系統(tǒng)非常穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何問(wèn)題。而燈泵浦系統(tǒng)本身則存在非常多的常規(guī)問(wèn)題。有些其它

的光纖激光用戶提到過(guò)，在操作中的光學(xué)反射問(wèn)題，到目前為止對(duì)我們而言還沒(méi)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(méi)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
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接鋼材和鋁材時(shí)沒(méi)有發(fā)生任何問(wèn)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。
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4千瓦光纖激光焊接8毫米厚的普碳鋼板（汽車(chē)齒輪箱中的機(jī)構(gòu)）。
對(duì)于低變形焊接，光纖激光看來(lái)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(wú)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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)。總之，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(wú)法提供的機(jī)會(huì)和更好的

表現(xiàn)。
另外一方面， 購(gòu)買(mǎi)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。