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准连续光纤激光器迎来黄金发展期

2017-10-24  来源:金属加工在线  
  对于企业来说,使用准连续(QCW)光纤激光器的原因有许多,例如光纤激光器结合了一台脉冲Nd:YAG激光器的钻孔和焊接优势以及一台CO2激光器的切割能力。
  采用传统技术无法实现这些加工性能的组合,所以在过去许多公司同时拥有CO2激光器和Nd:YAG激光器来应对更广泛的加工需求和应用。QCW光纤激光器可以在脉冲和连续(CW)模式下工作,所以单个激光器便可以处理过往需要两个不同的激光器才能完成的各种加工任务。
  今天,数以万计的光纤激光器正全天候应用于不计其数的行业和领域。在许多材料加工应用中,这些激光系统正在快速替代Nd:YAG 激光器和CO2激光器的作用。除此外,企业正在替换现有生产线上的旧激光器,同时确保其现有设备的停产损失被降至最低。
  为何选择QCW光纤激光器?
  准连续光纤激光器如今已成为现代制造工厂的一部分。
  这类激光器可以同时在连续和高峰值功率脉冲模式下工作。与传统的连续(CW)激光器不同,其峰值和平均功率在CW和CW/调制模式中总是相同的,而QCW激光器在脉冲模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。
  因此,这样能够在从几十赫兹到几千赫兹的重复频率下产生具有高能量的微秒和毫秒脉冲,并且可实现数千瓦的平均功率和峰值功率。
  耗材和维护要求
  图1显示的是一台典型的光纤激光谐振器。它是一种固态激光器,配置了永久密封连接的连续光纤以防止灰尘和污垢的产生,并且不含移动部件或自由空间镜片,谐振器无需做任何调整,没有耗材,也不需要维护。

图1:光纤激光器是一种固态激光器,配置了永久密封连接的连续光纤以防止灰尘和污垢的产生,并且不含移动部件。
  这些特点有助于确保激光器的性能,从而使其在多年的操作中保持稳定性和一致性。在没有消耗性部件的情况下,输出功率没有衰减,激光输出的光束质量也维持不变,并且也不再需要技术人员做定期调整,以保持激光加工系统的正常运作。
  电光转换效率
  电光转换效率(WPE)是指激光器将消耗的电能转换为光输出功率的效率指标。
  QCW光纤激光器的固态光纤谐振器基于其较大的表面积/体积比而能有效散热,从而在被动式冷却方案下能够实现大于30%的电光转换效率。由于QCW光纤激光器与其它激光系统相比,可提供十倍的WPE增量,所以也不难理解为何近几年来这类激光器的接受度得到迅速扩张。
  显着降低的电力费用,再加上没有消耗品,没有零配件以及低维护需求,没有预热时间要求,最终带来相当大的成本优化。
  典型规格和加工能力
  QCW光纤激光器在微秒至毫秒的脉宽下提供数焦耳到数十焦耳的脉冲能量。它们还在高达50KHz的脉冲重复频率下提供高出几倍的最大平均功率(从150W到超过2kW)。此外,QCW激光器还能够在CW/调制模式下工作,占空比高达100%。
  例如,一台20kW峰值功率的QCW光纤激光器可以在CW或脉冲模式下以2kW功率运行,并且在100Hz的重复频率下产生200焦耳的脉冲能量,1kHz下产生20焦耳脉冲,或在5kHz的重复频率下产生4焦耳的脉冲能量。
  由于其较高的平均功率和脉冲重复频率,QCW光纤激光器显着提高了加工速度以及生产效率。例如,当在航空部件上切割稀释孔或窗口时,根据零件结构和材料厚度,大多数激光器的切割进给速率为5至10IPM。然而,当使用QCW光纤激光器切割同一部件上的相同孔洞时,其进给速率则能达到20-30IPM,甚至更高。
  操作模式,脉冲调制和整形
  QCW光纤激光器的优点之一是能够快速增加和降低功率水平,并且可以在线从脉冲模式切换到连续运行模式。鉴于光纤谐振器中没有热透镜以及泵浦二极管的快速响应,这是可以实现的,但如果使用闪光灯泵浦激光器便无法做到这一点。
  单个QCW光纤激光脉冲可以使用模拟控制或内部脉冲发生器进行调制,以实现任何特定应用所需的最佳时间脉冲形状。操作员还可以使用定制的重复频率和功率调制对所需的脉冲序列进行预编程。
  当处理复杂零件(例如锐角和窄孔)或是高反及敏感材料时,操作员可以实时控制脉宽、占空比、频率、脉冲能量和平均功率。QCW激光器为整形脉冲的产生提供了卓越的脉冲整形功能,其调制能力超越其它技术。
  水冷机保养
  大多数的非光纤激光器必须使用大型水冷机进行水冷,这需要定期进行日常维护。去离子(DI)滤芯、颗粒过滤器以及去离子水必须定期更换(通常每六个月更换一次),以防止水污染。如果冷却水的质量无法得到保障和维持,激光效率便会降低,并且光学元件也可能被损坏。
  因而,公司必须储存闪光灯、去离子滤芯、颗粒过滤器和去离子水,并且安排定期的停机时间来保养激光器。然而,光纤激光器消除了这些消耗和维护问题;无需更换光学部件或闪光灯,同时与这些问题息息相关的保养和停机等事宜也一并得到消除。
  许多光纤激光器采用空气冷却方式, 不需要水冷机。QCW光纤激光器高达4.5kW的峰值功率可以提供空气冷却,无需水冷机。
  正常运行时间和可重复性
  采用传统技术的激光器通常需要一段预热时间来稳定谐振器,并确保正确的激光功率持续被传送给工件。
  不进行加工时,这些激光器通常在待机模式下运行,只有灯泵浦持续闪烁工作以确保谐振器的稳定性能。在这种情况下,即使激光器没有用于生产部件,但闪光灯的寿命和使用期限始终在流逝。
  相较之下,光纤激光器由固体二极管进行泵浦,因此当激光器不使用时可以完全关闭,并且能够在无需预热时间的情况下即可获得正确的激光功率。由于光纤激光器只有在工艺准备就绪时才被打开,因此可实现更高的正常运行时间,电效率以及产量。
  光束波形的灵活性
  根据具体的应用,QCW光纤激光器可选择单模或多模输出方式。为了切割非常薄的材料或需要小光斑尺寸的应用,单模将成为合适的选择。然而,大部分的大功率应用都会使用平顶光或多模模式(参见图2)。

图2:单模光纤激光束形状(上图)多模平顶光束形状(下图)
  航空航天产业已经证明,采用光纤激光器钻出的孔能够实现一致的流动特性。这得益于激光输出以及平顶光束波形的重复性均得到改进所致。使用QCW光纤激光器,在平顶光束形状下,钻出的孔的锥度较小。
  无论是冲击钻孔还是环切钻孔,平顶光束形状通常会导致较小的锥度。相比较冲击钻孔,环切钻孔的额外优势是重铸层较小。光纤激光器不使用热透镜,光斑尺寸保持恒定,不随功率的增加或减小变化。
  单模高功率密度、高脉冲能量、高峰值功率和高重复频率等优势的结合能够使包括金属、硅、氧化铝,蓝宝石和玻璃等在内的门类广泛的材料实现高产能的激光微加工。
  空间需求
  光纤激光技术能够在非常小的封装中实现非常高的功率。这对大多数公司来说是很有吸引力的,因为激光器的占地面积减少继而导致既定的激光工艺所需的整体集成系统占用空间的减少。全球企业似乎一直在寻找能够在更少的空间内充塞更多东西的方法,而光纤激光器的低占用空间可实现这一点。
  操作光纤
  不只是光纤激光器的谐振器具有长而连续的光纤,光束也通过操作光纤被传送到工件。无需校准、维护和更换自由空间光学元件或镜片。操作光纤配有快速断开的接头,如果需要更换光纤,也不需要进行光束校准。
  作者:Shawn Murphy ,IPG Photonics 公司东南亚区域经理
  Gary Loringer,Paradigm Precision 公司激光部门主管/ 工程师
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