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标题: 纵谈激光材料加工的发展历程和未来 [打印本页]

作者: 风轻扬 时间: 2016-1-25 15:56
标题: 纵谈激光材料加工的发展历程和未来
　　在过去的四十多年中，激光技术已经在广泛的应用领域谱写了无数的成功故事，甚至现在有很多应用是离开激光所无法实现的。本文将从激光光源的工业突破到不断完善的应用技术，向您介绍宏观材料加工领域的激光技术发展情况。
　　万事开头难
　　激光材料加工始于上个世纪六十年代后半期，脉冲固态激光器首先开始用于钻孔和点焊应用，连续波CO2激光器用于切割和连续波焊接。
　　宏观激光应用（切割、焊接、硬化和熔覆等）于上个世纪七十年代末和八十年代初被引入到工业生产实践中。CO2激光器是当时颇受欢迎的光源，因为它们在当时具有最高的加工效率，并能达到工业生产所需要的功率要求。
　　并非所有的技术和元件在早期都是可用的。激光器、用于光束传输的光学元件、聚焦元件如透镜和离轴抛物面铜镜、气体喷嘴、加工工艺以及气体供给系统，都必须针对高功率和工业环境进行开发和优化。此外，所有的安全法规都有待开发，并在国际上标准化，同时用于光束质量定义和测量的标准也有待发展。
　　激光光源的工业突破
　　1CO2激光器

　　图1：1973年的横流CO2激光器（左图）和2014年的CO2板条激光器（右图）。
　　随着工业领域对激光加工的兴趣越来越浓，工业领域对可靠的激光加工系统的需求开始增长。对于CO2激光源和系统而言，铜光学元件和低损耗ZnSe 透射元件具备反射或抗反射薄膜涂层，对于谐振器元件、光束传输和聚焦而言具有重要价值。这时出现的一项主要进展是用于焊接应用的高度可靠耐用的、具有钼涂层的聚焦镜。为了保证始终如一的切割质量，带有自动喷嘴远程控制和优化的气流的切割头也被开发了出来。
　　当时CO2激光器市场中存在三个不同的竞争技术，这三种技术主要通过气体冷却的类型加以区分：慢流的高光束质量中功率（约150 W）激光器、横流和快轴流激光器，功率高达20kW。一个附加的区分技术是气体放电激励的类型。该气体既可以被直流（DC）放电激励，这种方法比较高效；亦或是通过RF放电激励，这种方法的优势是电极可以位于气体管外，有助于保持气体清洁。
　　以下几个因素决定了CO2激光源的拥有成本：
　　● 气体消耗
　　● 电力消耗，特别是待机时的消耗
　　● 光学元件的消耗（主要是光束输出耦合元件）
　　● 其他备件的消耗
　　虽然上述几个决定CO2激光器拥有成本的要素都在不断发展完善，但是一项新理论的出现明显地降低了CO2激光器的总体拥有成本，并且没有任何不足，它就是扩散冷却射频激励CO2板条激光器。
　　有了这种新的扩散冷却技术，CO2板条激光器不需要任何复杂的排气系统设置，气体消耗量基本可以忽略不计，实现了待机功耗最小化，并且不要求任何维护用的通风技术。此外，只由铜反射镜制成的谐振器以及一个用于光束传输的金刚石涂层窗口，使其无需再定期更换光学元件。
　　出色的基本横向模式光束质量，允许在切割应用中使用更小的切口宽度、在焊接应用中使用更窄的焊缝，换句话说，这意味着更低的功率或更高的加工速度。 Rofin公司于1993 年将第一款板条激光器引入市场，并于2005年将该技术的功率提高到了8 kW，其已经能够覆盖工业激光应用的主要范围。对于很多加工而言，10 μm 的长波长更具优势，因此这些激光器依然是当今和未来的最佳选择。
　　2固体激光器

　　图2：4 kW的二极管泵浦固体激光器（左图）和4 kW的光纤激光器（右图）。
　　另一种在工业材料加工领域获得主导地位的激光器是输出波长约为1 μm 的固体激光器。
　　使用固体激光器的一个主要优势是可以利用高度柔性的光纤传输光束，这种方法已经在八十年代后半期进入市场。Rofin 连同其子公司Optoskand 一起，为脉冲固体激光器开发出了传输光纤，输出功率可达500 W。那时光纤的纤芯直径为800~1000 μm，光束质量80 mm?mrad。
　在上个世纪九十年代中期，在光纤端面使用石英，使得光纤技术迎来了发展历程中的重要一步。更大的表面实现了更低的功率密度，不但改善了机械安装，而且降低了防反射（AR）涂层造成的损耗。
　　在汽车车身焊接应用中，芯径600 μm 的光纤曾代表了最先进的水平。由于光束质量获得了显著改善，二极管泵浦的固体激光器要求将纤芯直径减小到300~400 μm。
　　今天，芯径为50 μm~1 mm 的损耗低、高可靠的Optoskand 光纤，已经获得了广泛应用。
　　众所周知的固体激光器的一种最古老的设计是在采用Nd:YAG 晶体棒做增益介质。直到上个世纪九十年代末，这种晶体都是用闪光灯泵浦。这类激光器只有3％的电光转换效率，闪光灯的寿命大约为1000~2000 小时。所有的激光专家都希望用激光二极管取代闪光灯。激光二极管具有以下两大技术优势：更高的效率和更低的热负荷，能获得更好的总体效率和改善的光束质量。
　　Rofin 公司于1997 年收购了半导体激光器公司DILAS，并且仅在一年之后就推出了第一款几千瓦级的二极管泵浦固体激光器。这些激光器能够达到大约10%的更高效率、12 mm?mrad 的光束质量和更长的激励模块使用寿命。下一步技术发展则是将增益介质的形状从棒状改变到碟片状，以提供高于20% 的整体效率和大约5mm?mrad 的更好的光束质量。
　　除了泵浦模块的使用寿命外，固体激光器领域的一个重要的问题是如何有效地带走激光增益介质中的热量。如果是典型的增益介质为棒状的固体激光器，则光束质量受径向热梯度的影响显著，即所谓的“热透镜效应”。使用碟片状增益介质，能够减少热透镜效应，因为其能够在碟片的背面实施高效的大面积散热，从而能产生连续一致的高光束质量。在2003-2010 年间，Rofin 曾提供用于工业切割和焊接应用的高功率碟片激光器。
　　3光纤激光器

　　图3：高达8 kW的光纤激光器
　　进入2000 年之后，通过光纤提供单模光束质量输出的高功率光纤激光器的发展，可以说是固体激光器技术领域最重要的一项发展。
　　大模场面积、稀土掺杂的大包层直径双包层光纤、集成泵浦耦合器的光纤以及高功率激光二极管泵浦源的发展，无疑对光纤激光器的发展起到了推波助澜的作用。这种技术能将高功率光纤激光器模块设计实现为“集成的光纤设计”，这使得模块更加简单、牢固、高效，非常适合用于“在工业生产中使用的激光器中”。将这些模块通过全光纤组合器组合到一起，能获得更高的功率，并且能够提供具有高光束质量的多模输出。
　　Rofin 于2007 年通过一系列战略收购推出了光纤激光器，如其收购了Corelase、Nufern、m2k Laser 和PMB 等专业公司。激光二极管、活性双包层大模场面积光纤、光纤泵浦耦合器、高功率光纤组合器和光束传输以及电源等组件的开发和生产，都是由Rofin 集团旗下的这些专业公司完成的。
　　随后，Rofin 提供了与众不同的单模和多模光纤激光器产品，功率高达8kW，并具备以下特性：
　　● 比碟片激光器更简单的模块化设计
　　● 坚固耐用，无需机械稳定性
　　●光束质量适用于不同的应用，从单模（0.4 mm?mrad）到多模（40 mm?mrad）
　　● 高效：光学转换效率超过80％，电光转换效率超过30％。
　　这些光纤激光器可以作为工业生产领域的通用加工工具，它们比之前的所有其他激光器显示出了更广泛的适用性，因为其具有广泛功率和光束质量，以及灵活的光束切换、分束和扫描的可能性。此外，它们的效率、波长和最小维护要求，能够在大量行业中实现高度经济化的加工过程。
　　总而言之，工业激光器获得成功的一个重要因素是：从一个科学实验室装置发展成为一个在维护和服务要求方面获得工业领域认可的产品。第一台工业激光器的维护周期约为1000 小时，维护工作约需要一周的时间。客户已经完全接受了这种情况，因为他们只关心这个有前途的新工艺——能够实现改进的新产品，降低生产时间，实现更高的加工质量。
　　在随后的几年中，"总拥有成本"和可维护性等问题变得越来越重要。在CO2 激光器领域中，从横流激光器到快轴流激光器的发展，使维护周期从1000小时升至2000 小时，从而降低了维护工作。随着扩散冷却板条CO2激光器的发展，Rofin 能够提供“具有非常低的服务和维护费用、维护周期为3000 小时、维护工作仅需6 小时便可完成的”激光器产品。
　　在固体激光器领域，从灯泵产品到二极管泵浦的激光器，在服务和维护费用方面存在很大差别，而最新的光纤激光器技术又几乎是免维护的。
　　另一个重要的问题是激光源在生产工厂中的可用性。在CO2 激光器领域，从横流激光器到板条CO2 激光器及现代光纤激光器，可用性显著增加。如今，激光已经被视为一种加工工具，所有要求和工业标准都如同可扩展的备件，以24/7 的模式和电子服务能力服务全球市场。此外，在所有的战略市场提供快速的本地化支持，也是获得业务成功的关键。

　　图4：七十年代初期的Messer切割系统：激光源倾斜45°。这使得用户通过使用一个相移延迟90°的光束弯曲装置，在工件上获得圆偏振光（左图）。2014年的Messer切割系统：配备4.5 kW CO2板条激光器的大型系统。所有Rofin的CO2激光器发射与水平面成45°的偏振光束（右图）。

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