如何解决高功率激光焊接散焦问题

在激光焊接领域，随着高功率光纤激光器和盘式激光器的引入，机遇和挑战以最快的速度迅速增长。最值得注意的是，更高的激光功率和光束质量使应用有机会扩展到更深的激光深熔焊接，这对激光聚焦光学器件提出了新的挑战。具体而言，聚焦光学系统所面临的挑战或障碍被称为“焦点偏移”，这个问题的描述最初是由Dirk Lange十年前提出的。该研究定义并量化了散焦量（1 mm / kW，最小YAG功率不超过3 kW）。巧合的是，在同一时期，EWI在光束耦合器应用中观察到4 kW光纤激光功率的类似现象。然而，EWI仅在开始10kW功率光纤激光焊接测试时观察到散焦对激光焊接的实际影响。控制和管理散焦量激光焊接过程中的散焦过程如图1所示。为便于讨论，我们假设吸收率非常低的镜头和保护盖板的1微米聚焦光学组件开始传输。非常干净的条件。不幸的是，这种情况在生产环境中很少见。有时，焊接时（或之前），烟灰，蒸汽，油，飞溅物或其他形式的污染物会在最近的光学表面上找到mdash，mdash和防护玻璃窗。这种污染会导致窗口局部过热，导致热变形和窗口折射率的变化。该结果导致焦点远离工作表面并朝向光学组件移动，导致更多污染和焊接熔透损失。图1：激光焊接中散焦的发生。有许多控制和管理散焦量的解决方案。首先，最常见的是气刀，它实际上是一种高速横向清洁空气或其他气体，旨在保护最后的光学表面免受污染。有许多不同类型的气刀（也称为“窗户保护器”），用于解决散焦问题。这些设备中的一些使用散射光监控解决方案来检测污染何时开始并且希望在产生不良焊接之前暂停焊接过程。不幸的是，没有人能够制造出完全有效的窗户保护装置，并且该过程中的污染不是透射聚焦光学系统热变换的唯一原因。聚焦光学元件的替代方案面对这一现实，EWI开始研究激光聚焦光学元件的替代方案，设计指南如下：•尽可能减少光学传输，•使用具有更好热稳定性的光学传输，尽可能使用金属镜， •提供更好的光学冷却，•将最后一个光学表面放在远离工作表面的位置。根据这些指导原则，EWI生产了一种复合聚焦光学元件，绰号为“火箭筒”（bazooka）（图2），它结合了各种创新功能。首先，激光纤维发散光束的准直是用金刚石切割的硫化锌材料透镜完成的，其透热率是传统光学透射材料石英玻璃的20倍。该材料的金刚石车削（DT）意味着可以在凸面上获得理论上完美的透镜轮廓。其次，通过与另一个DT表面（水冷透镜架）直接接触来冷却该透镜的平面侧。 DT面与DT面的这种接触产生极其有效的热传递，从而保持准直透镜冷却。图2：ldquo，Bazooka（火箭筒）复合激光聚焦光学系统。 Lx，火箭发射器的准直光束的焦点是用标准的离轴水冷抛物面镜完成的，这种镜子几十年来一直用于高功率CO2激光焊接系统。这种坚固的无涂层光学表面几乎完全不受污染，可以多次清洁，以防止飞溅与中间窗接触。该中间窗口是保护相对昂贵的ZnS准直透镜所必需的。并在此窗口的输出侧使用干净的气流，以防止烟灰和其他低速污染物。在光纤激光功率高达8千瓦的情况下，复合材料的散焦光学设计几乎为零（~0.2 mm / kW）。令人惊讶的是，这与所有EWI传统变速器聚焦装置测量的散焦量形成对比。这种现象归因于透射光学系统的负散焦（顶部）和未涂覆的铜镜的正散焦（下部）的组合。