高亮度光纖雷射器助力遠端鐳射加工

時間＼2017-09-22

導讀：高亮度光纖雷射器（光束參數乘積[BPP]<1.5 mm-mrad）能夠使系統集成商實現遠端加工，提升遠端加工頭在作業中的安全性，並且通過與快速定位光束的掃描頭相結合。

高亮度光纖雷射器（光束參數乘積[BPP]<1.5 mm-mrad）能夠使系統集成商實現遠端加工，提升遠端加工頭在作業中的安全性，並且通過與快速定位光束的掃描頭相結合，可以實現對鋁、銅等高導熱金屬，以及新型、輕質碳纖維複合材料的遠端鐳射切割、刻蝕與焊接。

高功率、高亮度光纖雷射器使遠端鐳射掃描(RLS)應用飛速發展。

相比其他技術，RLS具有更強的靈活性和更快的加工速度，並且極大程度的縮短了大尺寸工件的加工週期。

高亮度光纖雷射器

傳統光纖雷射器採用光纖耦合技術將多束鐳射輸出耦合在一起，導致輸出鐳射的亮度更低。而恩耐nLIGHT altaTM新一代光纖雷射器採用了創新型架構，通過將泵浦二極體和驅動器合併在獨立的泵浦模組中，增益光纖安裝在可配置的增益模組中，

可以輸出8kW 以上的鐳射功率。增益模組基於新穎的主振盪器/功率放大器 (MOPA) 設計，可以實現高亮度鐳射輸出。此外，恩耐雷射器還採用了可靠的集成式返射隔離器來保護所有模組免受返射光的影響，可以對高反材料進行滿功率、不間斷、穩定的加工。這兩項技術創新在RLS 應用中起到了至關重要的作用。

RLS 系統的設計關鍵在於掃描頭的工作距離、焦斑尺寸以及掃描範圍。

使用高亮度光纖雷射器的一個好處就是它能夠增大工作距離和掃描範圍，同時能夠獲得更小的焦斑尺寸，以提高焊接速度和增大焊接熔深。表中所列的兩個商用RLS 掃描頭產品（SCANLAB IntelliWELD 和 IntelliSCAN）展示了更高亮度鐳射的好處（50μm 光纖芯徑）。從此例可以看出，掃描頭工作距離可以增加 50% 以上，同時焦斑尺寸可以縮小14%。nLIGHT 雷射器可以提供功率高達 8kW 的高亮度輸出。

遠端鐳射焊接

焊接解決方案的選擇對於每個應用來說都是一個複雜的問題。一般來說，短焊縫數量越多，並且分佈在較大的面積上（例如門、座椅結構以及汽車總成的車體部件）。相比固定光學頭焊接，遠端鐳射焊接（RLW）的優勢也更大。圖 1 為採用RLW 技術後加工週期縮短高達 50% 的案例。示例同時涵蓋了高密度焊縫焊接、精密焊接 (a, b) 以及具有多條焊縫的大尺寸結構焊接等情況。尤其是我們從 (c) 中看到，

此部件的部分焊縫從頂板一直延續到底板。這種類型的結構採用傳統焊接頭進行焊接並不容易實現。

圖1. 汽車總成需要將一組管子的末端焊接到一個較大的結構 (a)。(b) 例所示為大型（約 30 × 60cm）汽車座椅結構，這是一個多層結構，要求在頂部進行焊接，並通過孔焊接到部件的底層 (c)。

此外，RLW 可以為焊接工藝控制提供很多先進功能，例如，如果需要使焊接點在焊接區域內進行擺動，或加工過程包含複雜的焊接形狀（圓形，C形等），採用掃描方式的加工速度和精度會比使用機器人進行小幅度高速運動的效果更好。RLW 掃描頭的掃描速度可以達到每分鐘90至180m，而傳統機器人的運動速度最大只有約 10m/min。

高亮度光纖雷射器加工高導熱材料時，最好是採用小光斑，以保持焊接小孔的穩定，但此加工方式可能會使加工過程過於劇烈，產生大量焊接飛濺。實驗證明，高亮度雷射器配合遠端掃描頭的高速定位，顯著減少焊接飛濺，這是通過光束擺動確保焊接小孔穩定來實現的。圖 2 表明，焊接銅、鋁時，如果不使用光束擺動模式，焊接飛濺將會很嚴重。一旦採用高頻擺動光束，焊接飛濺就會減少。此外，恩耐鐳射獨創的抗高反技術在此應用中也不可或缺，通過安裝一個保護裝置，避免設備受到返射光的傷害。加工銅和鋁這類高反射金屬時，返射光是不可避免的，傳統雷射器由於對返射光的天然敏感性，可能會導致加工不穩定和破壞性自動關機，甚至報廢。

圖2. 無光束擺動 (a) 和有光束擺動 (b) 的純銅焊接飛濺情況觀察結果，擺動優化顯示無焊接飛濺 (c)。(d-f) 所示為對鋁材進行光束擺動應用的效果，焊接飛濺減少。（圖：德國德累斯頓 Fraunhofer IWS 以及 SCANLAB）。

或加工過程包含複雜的焊接形狀（圓形，C形等），採用掃描方式的加工速度和精度會比使用機器人進行小幅度高速運動的效果更好。RLW 掃描頭的掃描速度可以達到每分鐘90至180m，而傳統機器人的運動速度最大只有約 10m/min。