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)用的機會不斷增加。
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大,而長度減少為幾百個微米,這就成就了盤式激光器。另一方面,將棒的長度加大,直徑減小,這就成為光纖激光。
談到光纖激光,光纖的長度保證了光束質(zhì)量接近衍射極限(在給定波長的激光中,理論極限,或最小可能的聚焦尺寸)。這種激光的諧振腔無須進行任何調(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)勢之外,還應(yīng)當了解,其泵浦能量可以通過傳輸光纖進行耦合,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5千到一萬瓦范圍內(nèi)略遜于二氧化碳激光器)。在Fraunhofer 我們一致認為,光纖激光具有更為廣闊的未來。
在德國的Dresden, Fraunhofer IWS 以及在美國密執(zhí)根的Plymouth的IWS 分支機構(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:體積非常小,在泵浦源與最終的光學(xué)聚焦系統(tǒng)之間沒有任何需要進行準之調(diào)節(jié)的零件,無須進行任何調(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)量和超長的泵浦源壽命(超過5萬小時)。我們可以使用很小的擴束準直系統(tǒng),進而可以使用尺寸很小的振鏡系統(tǒng)進行高速光束操控。
15微米直徑的光纖長度限制在數(shù)米范圍內(nèi),因為存在拉曼散射效應(yīng), 它將在使用較長的光纖傳輸時減少輸出能量。而50微米的光纖限制在15米長度以內(nèi), 100和200微米的光纖長度沒有限制!
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,或使用200微米的光纖出,100微米的光纖進。以上兩種狀況光束質(zhì)量可以達到8mm.mrad。這與盤式激光相當,而焊接的結(jié)果,兩種激光器非常接近。
綜合起來,在 Fraunhofer使用的光纖激光系統(tǒng)非常穩(wěn)定,沒有發(fā)生過任何問題。而燈泵浦系統(tǒng)本身則存在非常多的常規(guī)問題。有些其它的光纖激光用戶提到過,在操作中的光學(xué)反射問題,到目前為止對我們而言還沒有造成任何困擾。我們的試驗數(shù)據(jù)表明,光學(xué)反射沒有對激光器的輸出功率造成任何影響。即使如此,我們在實際操作中不主張使用與工件垂直的光束設(shè)計,而使用微微傾斜6度左右的角度。在切割和焊接鋼材和鋁材時沒有發(fā)生任何問題,但同樣的操作,工件為銅材時,情況較為復(fù)雜,需要很小心地進行處理。
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到與電子束焊接相當?shù)募氄缚p。圖2顯示實際焊接的效果。 4千瓦光纖激光焊接8毫米厚的普碳鋼板(汽車齒輪箱中的機構(gòu))。
對于低變形焊接,光纖激光看來是當前最佳的選擇。 這不但在齒輪傳動機構(gòu)中有廣泛的應(yīng)用,在遠程焊接中同樣有著很大的優(yōu)勢。
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),而無須改變焊接參數(shù), 同時適用于遠場技術(shù)。在這兩種情況下, 激光優(yōu)秀的光束質(zhì)量會生成特定的焊接等離子體,(與Nd:YAG 和盤式激光相比),一定要使用保護氣體,否則會發(fā)生吸收和主體散射效應(yīng)。
圖3 顯示光纖、盤式、Nd:YAG和CO2 激光系統(tǒng)的焊接速度對應(yīng)與深度的試測數(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激光進行了對比試驗。盤式激光的焊接數(shù)據(jù)有些偏離,因為我們使用的是4kW 輸出功率的TRUMPF’s HLD4002 盤式激光。
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)??傊韵聰?shù)據(jù)表明并非不同的激光會造成不同的焊接結(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)無法提供的機會和更好的表現(xiàn)。
另外一方面, 購買一個激光器還應(yīng)當考慮許多的重要的因素,其中包括投資費用、運行費用、維護和維修費用等。然而,最重要的一點是在最終的結(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,它是一個最重要的基本因素。