2004年8月，SLV Meckl enburg- Vorpommern GmbH生產(chǎn)了首臺(tái)10千瓦光纖激光器，這標(biāo)志著光纖激光器的效率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越。在隨后的十年里，人們針對(duì)激光在各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。我們將通過(guò)幾個(gè)實(shí)例，分析10千瓦光纖激光器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，并以此作為激光器推廣應(yīng)用的參考。
1. 高功率光纖激光器——效率的大跨步
近年來(lái)，人們已經(jīng)研制出了可用于高功率激光設(shè)備的5千瓦Nd:YAG激光源，然而，由于電光轉(zhuǎn)換效率僅有6%，且機(jī)身龐大，所以無(wú)論是單純的泵浦光源，還是二極管泵浦Nd:YAG激光源，仍不能完勝固態(tài)激光源。隨著光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提高，光纖激光器開(kāi)始向著原來(lái)只能使用CO2激光源的應(yīng)用領(lǐng)域推進(jìn)。在過(guò)去的三年里，工業(yè)領(lǐng)域使用的多種激光源中，光纖激光器的重要性已經(jīng)開(kāi)始日益凸顯。
2002年5月，IPG光子公司推出了新款輸出功率達(dá)到1千瓦的光纖激光器。同年11月份，輸出功率已提升至4千瓦。2003年3月，10千瓦光纖激光器問(wèn)世。至此，IPG已經(jīng)先后推出24款帶有不同輸出功率的光纖激光器，用戶遍及美國(guó)、歐洲和亞洲。
波長(zhǎng)為1070nm的摻鐿光纖激光器以其外形小巧，光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)25%，以及的光束質(zhì)量而備受矚目。其主要作用原理是在激光諧振腔內(nèi)，通過(guò)多種光能反饋，生成、引導(dǎo)并操作激光光束。光纖激光器由摻入特定稀土離子(如鐿、鉺、釹、銩等)的玻璃光纖所形成的雙包層線圈構(gòu)成。泵浦二極管通過(guò)多模纖維形成的雙包層線圈，將能量注入有源光纖。有源光纖內(nèi)部直接生成激光諧振腔，能量得到增益后通過(guò)一根無(wú)源單模光纖輸出。將多個(gè)單模光纖同步輸出，我們就可以得到一臺(tái)功率翻倍的千瓦級(jí)光纖激光器。由于使用的是光纖到光纖的整體設(shè)計(jì)，所以完全不需要調(diào)整或?qū)R反射鏡及其他光學(xué)元件與其他具有類(lèi)似輸出功率的激光系統(tǒng)相比，光纖激光器，再加上預(yù)計(jì)100.000小時(shí)不間斷操作使用壽命的二極管的維護(hù)成本顯然更低。此外，由于光纖激光器的設(shè)計(jì)緊湊，操作簡(jiǎn)便，可接入的光纖最長(zhǎng)可達(dá)200米，因此特別適用于那些需要高功率、靈活傳輸及高遷移性激光源的領(lǐng)域。
2004年8月，全球首臺(tái)10千瓦光纖激光器在德國(guó)羅斯托克市的SLV Meckl enburg-VorpommernGmbH公司誕生。除了可以進(jìn)行試驗(yàn)室焊接、切割和表面拋光試驗(yàn)外，客戶也可以自行對(duì)其進(jìn)行研究和拓展。Precitec公司已經(jīng)推出了一系列焊接和表面拋光用的光學(xué)頭及切割頭。如果是激光-電弧復(fù)合焊，還可以調(diào)整焊接頭，使其適合復(fù)合焊系統(tǒng)。除了上述靜態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的光學(xué)加工頭之外，MobilLaser Tec公司還研制了一種新型激光頭，用于手動(dòng)引導(dǎo)焊接及切割。
自從第1臺(tái)10千瓦乃至更高輸出功率的光纖激光機(jī)問(wèn)世以來(lái)，SLV Meckl enburg-Western Pommeraniait就很清楚地意識(shí)到，這種激光源配合移動(dòng)概念，必能發(fā)揮更大的作用，完全可以非常靈活地響應(yīng)客戶對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求。在一個(gè)名為“DOCKLASER”的歐洲項(xiàng)目中，工作人員圍繞IPGYLR10000光纖激光器設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)移動(dòng)激光發(fā)射基站。這個(gè)激光發(fā)射基站配備了冷卻設(shè)備，還預(yù)留了一些用于安放外圍設(shè)備的空間。這樣一個(gè)激光發(fā)射基站，只需要用普通平板貨車(chē)就能實(shí)現(xiàn)輕松運(yùn)輸。而該項(xiàng)目之前使用的是來(lái)自Trumpf的4.5千瓦Nd:YAG激光器HL2006，體積是目前的三倍之大，所以必須要用到拖車(chē)。
2.1 長(zhǎng)距離直縫焊的牽引
為了實(shí)現(xiàn)在垂直或水平方向利用激光-GMA復(fù)合焊工藝進(jìn)行長(zhǎng)距離直縫焊，焊接設(shè)備生產(chǎn)商奧地利Fronius公司設(shè)計(jì)并制造了一種牽引裝置。該裝置配有一臺(tái)激光-GMA復(fù)合焊光學(xué)頭，一個(gè)送絲單元，以及3個(gè)直縫焊激光傳感器MTH20，以便對(duì)焊縫形態(tài)進(jìn)行追蹤。GMA焊接單元TPS9000max輸出功率為900A，占空比60%。牽引裝置與移動(dòng)激光發(fā)射基站基站、焊接單元及傳感器控制單元之間可以借助獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。用戶通過(guò)示教器控制整個(gè)系統(tǒng)。
2.2 用于三維焊接的機(jī)器人
2006年夏季，來(lái)自 SLV Mecklenburg-Western
Pomerania公司的一款配有FUNUC機(jī)器人和傾角定位器的機(jī)器人單元投入使用。該機(jī)器人單元為激光器在三維空間內(nèi)的應(yīng)用帶來(lái)了了新的解決方案。系統(tǒng)中安裝了離線程序，可根據(jù)要求采用純激光縫焊、激光-GMA復(fù)合焊、激光切割或激光鍍層。
2.3 高功率光纖激光器的激光-GMA復(fù)合焊
船舶制造業(yè)會(huì)大量使用鋼板以及其它厚度介于3-35毫米的型材，當(dāng)然也包括管道傳輸、大型容器、起重設(shè)備等，常常需要進(jìn)行長(zhǎng)距離直縫焊。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)型氣體金屬電弧焊及埋弧焊工藝流程加工速度較慢，結(jié)果導(dǎo)致大量熱能注入母材，而且焊接時(shí)間長(zhǎng)，還會(huì)造成金屬受熱變形后返工矯形，使生產(chǎn)成本提高。
雖然激光-GMA復(fù)合焊加工速度快，熱效能高，但是這一工藝的應(yīng)用始終未能形成規(guī)模，究其原因，主要是當(dāng)材料厚度超過(guò)15毫米時(shí)，就只能使用CO2激光源了。加工對(duì)接接頭和T形接頭時(shí)，CO2激光焊接機(jī)必須集成反射系統(tǒng)，才能將光束傳輸至工件表面，所以機(jī)器又大又重。而且由于傳輸路徑長(zhǎng)，光束參數(shù)也容易出現(xiàn)波動(dòng)。另外，已有的CO2激光源的焊接系統(tǒng)無(wú)法再被改造，更不要說(shuō)在此基礎(chǔ)上再添加一個(gè)移動(dòng)發(fā)射裝置了。盡管如此，如果需要輸出功率高，傳輸性能好的緊湊型光纖激光源，暫時(shí)也只能這樣選擇。
所以，當(dāng)光纖激光器出現(xiàn)后，SLV Meckl enburg-WesternPomerania公司就針對(duì)國(guó)內(nèi)外多種型材進(jìn)行了大量的檢測(cè)和靈活性研究。研究人員針對(duì)激光-GMA復(fù)合焊工藝，特別設(shè)計(jì)了一種焊接頭。這種光學(xué)加工頭不僅可以用于搭載光纖激光器的機(jī)器人系統(tǒng)，也可以用于搭載12千瓦CO2激光器的Trumpf TLC系統(tǒng)。SLV實(shí)驗(yàn)室對(duì)兩者都進(jìn)行了安裝。
2.3.1 用激光-GMA復(fù)合焊工藝加工對(duì)接接頭
第1項(xiàng)試驗(yàn)是典型結(jié)構(gòu)鋼的堆焊試驗(yàn)，該試驗(yàn)主要是為隨后的試驗(yàn)積累基礎(chǔ)參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為125毫米準(zhǔn)直鏡，250毫米聚焦鏡，光波導(dǎo)， 200μm芯徑，90/10比例的氬-CO2的保護(hù)氣體對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行保護(hù)，焦點(diǎn)位置設(shè)置為-2毫米，焊槍傾角25度。1.2毫米G3Si1焊絲，送絲速度為12米/分鐘。弧焊與激光縫焊之間的間隙為2.5毫米。數(shù)據(jù)顯示，焊接速度為1米/分鐘時(shí)，焊透深度為13毫米;當(dāng)焊接速度提高至4米/分鐘時(shí)，焊透深度仍可達(dá)到8.1毫米。
10千瓦激光器，焊接速度3.5米/分鐘，焦點(diǎn)位置-2毫米;然后調(diào)整厚度至16毫米，雙面焊，兩面焊接速度均為3.5米/分鐘，輸出功率10千瓦，焦點(diǎn)位置-2毫米。HSLA65經(jīng)過(guò)坡口加工，以確保無(wú)間隙。
在GLA板的試驗(yàn)中，選擇厚度為9毫米底漆涂覆GLA板，10千瓦輸出功率，焊接速度2米/分鐘，焦點(diǎn)位置+3毫米。單位長(zhǎng)度的能量平均達(dá)到7千焦/厘米。在厚度為8毫米底漆涂覆板GLD36的試驗(yàn)中，根據(jù)客戶要求，限定激光功率不超過(guò)5千瓦，經(jīng)7度坡口加工(包括坡口角度)，輸出功率3.2千瓦，送絲速度13米/分鐘，焊接速度1.1米/分鐘，單位長(zhǎng)度的平均能量達(dá)到6.5千焦/厘米。MAX硬度值為260HV5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光焊接接頭的臨界值。GLA板和GLD36均為激光切割，間隙為0mm。
