光纤激光器在焊接应用中的突破

近几十年来，包层泵浦光纤激光器在激光行业取得了成功，最近的报道表明这种增长将继续保持良好的趋势。用于标记的低功率光纤激光器和用于切割和焊接的高功率光纤激光器已迅速扩大其市场份额。最近的报告还表明，用于工业激光器最大市场中薄板金属薄化的光纤激光器将很快超过CO2激光器。另外，作为制造皮秒和飞秒短脉冲激光器的重要部件，光纤放大器和光纤准直器等光纤激光器部件也被广泛使用。准连续（QCW）光纤激光器本文将介绍第三种在市场上迅速出现的光纤激光器。一类称为准连续（QCW）激光器的近红外光纤激光器正在迅速取代历史悠久的Nd：YAG灯泵浦激光器。电光转换效率高，可靠，免维护，稳定且占地面积小 - 这些光纤激光器具有很好的证明其他激光器的核心优势，准连续光纤激光器也具备上述所有优点。自2011年获得国际光学工程学会颁发的棱镜奖以来，准连续光纤激光器已在该产品系列中得到充分开发，部分型号的峰值功率高达20 kW。由于“激光微加工工艺在批量生产中的应用”中讨论过切削和钻孔应用，我们将讨论准连续光纤激光器的其他更多应用。开发准连续光纤激光器的初衷是将光纤激光器的优势引入脉冲激光焊接，这需要低平均功率和低占空比，如图1所示的有限导热点焊。但是，研究人员很快发现这些高亮度能源可以使用更小的芯径传输光纤。实际上，准连续光纤激光器可以连接到单模光纤（纤芯直径小于15微米，m），具有极其精细的切割和钻孔性能。图1.典型的有限热传导点焊许多光纤激光器（但不是全部）与单结二极管激光器泵浦源的特性不同。作为高功率光纤激光器的全球领导者，这些单芯结型二极管的稳定性和使用寿命在很大程度上得益于成功。使用单结二极管泵代替二极管条或阵列的一个显着优点是有源光纤可以在0ndash，100％占空比范围内泵浦，即在0ndash，100％占空比时连续激光器是在该范围内调制。这一调整范围同样适用于QCW光纤激光器。实际上，光纤激光器本身的有源光纤纤芯直径特别小（≤15μ，m），因此只能形成单模输出。这不仅能够有效地产生相干光束，而且由于其超高的表面积与体积比，光纤几乎完全自冷却。这解决了温度波动和相关热效应的问题，确保了极其稳定的光束输出。输出具有小芯有源光纤的激光束的另一个重要功能是在必要时通过单模无源光纤（称为“传输光纤”）将激光输出到激光处理头。在这种情况下，光束具有最大亮度和聚焦性能。在许多材料加工应用中，技术人员可以通过插入具有较大芯直径的传输光纤或通过简单地添加光耦合器从单个激光器获得不同的光束直径和光斑尺寸。增加多个泵浦二极管需要简单地接入有源光纤。将这些二极管的占空比限制在10％可以大大减少对电源的需求，但是当激光器处于脉冲模式时，它可以产生超过瞬时（峰值）功率的10倍。有些型号甚至可以在几毫秒的脉冲宽度内产生高达60J的脉冲能量。激光“能够耦合或破坏金属表面反射率以开始产生焊缝的能力与激光脉冲的峰值功率密切相关。由于真正的QCW脉冲激光器具有高一个数量级的峰值功率，因此这种耦合能力大大增强。这个功能使QCW激光非常合适与传统的灯泵浦和连续激光器在低功率激光焊接应用中的竞争。由于准连续光纤激光器的最初发展是点焊，应该注意150W连续激光器需要67ms来产生10J调制脉冲能量。光束峰值功率与连续输出功率相同，也是150W。下图中的等式表明，该较低峰值功率束产生较低的峰值功率密度（即，辐照度）。然而，具有最低能量要求的准连续激光器可产生10J脉冲能量，在15Hz的频率下具有1250W的峰值功率，并且当用于图1所示的有限热传导点焊时具有8ms的脉冲宽度。 。很明显，在10ms内对焊接部件的间接热效应远小于67ms产生的间接热效应。准连续光纤激光器的命名规则反映了增强的峰值功率，表示为XXX / YYYY的组合，其中XXX是平均功率，YYYY是峰值功率mdash，mdash，峰值功率通常是平均值的10倍功率。因此，激光模型ldquo，150/1500意味着在一个脉冲周期内平均功率为150W，峰值功率为1500W，最大占空比为10％。今天，准连续激光器的平均功率高达2千瓦，峰值功率为20千瓦，用于航空航天合金的高速激光钻孔（见图2）。图2.用于航空钻井应用的高功率准连续光纤激光器。基本上，如果激光工艺需要峰值功率，这种准连续光纤激光器不仅仅是可以提供相同峰值功率的连续激光器。物有所值。新一代准连续光纤激光器的脉冲宽度可低至10μs。值得注意的是，最大脉冲宽度与峰值功率成反比：脉冲宽度为10ms时峰值功率为1500W，脉冲宽度为15ms时峰值功率为1000W，脉冲峰值功率为300W宽度是50ms。脉冲宽度越长，峰值越大。功率越低。因此，峰值功率要求越低，例如焊接低反射材料，可选择的脉冲宽度越长，占空比越高。