文/Dahv A. V. Kliner、Jake Bell、Lynn Sheehan; nLight公司

 

 

高反射材料的激光加工在目前的制造環(huán)境和市場應(yīng)用中至關(guān)重要，然而很多類型的激光技術(shù)都由于對回返光的固有敏感而受到影響，導(dǎo)致在加工過程中出現(xiàn)運行不穩(wěn)定和破壞性自動關(guān)機現(xiàn)象，甚至還會對激光器造成永久性損害。恩耐激光新一代光纖激光器采用高性能元件和創(chuàng)新型架構(gòu)應(yīng)對這些限制，從而實現(xiàn)對高反射材料的不間斷處理。

 

       圖1：nLIGHT alta^TM工業(yè)光纖激光器。

 

大部分千瓦級光纖激光器采用的是“以熔融光纖耦合器合束多路低功率光纖激光器輸出”為基礎(chǔ)的架構(gòu)，這種方法在技術(shù)和經(jīng)濟性上都存在不足之處。更重要的是，光纖激光器和耦合器模塊，可能由于材料處理期間發(fā)生的回返現(xiàn)象而易于出現(xiàn)不穩(wěn)定或損壞現(xiàn)象。 

 

nLIGHT alta^TM光纖激光器（見圖1）采用的是一種新型架構(gòu)，其通過將泵浦二極管和驅(qū)動器合并在獨立的泵浦模塊中，以及將增益光纖安裝在可配置的增益模塊中，可實現(xiàn)>4kW的輸出激光，并解決了以往架構(gòu)中所存在的一些問題。

 

圖2：nLIGHT alta^TM激光器的設(shè)計在激光器與傳輸光纖之間集成了一個返射隔離器。

 

 此增益模塊中含有一個可靠的、可集成的回返光隔離器，可以保護所有模塊免受工件反射光的影響，進而做到穩(wěn)定、不間斷加工高反射材料。這個部件已經(jīng)通過壽命測試，并在客戶實際生產(chǎn)環(huán)境中得到了驗證。使用恩耐光纖激光器的用戶，都已成功具備了處理包括銅、金、銀和高度拋光金屬等各種高反射材料的能力。在談及這些結(jié)果時， 客戶稱這是他們首次體驗了滿功率、不間斷地加工高反射材料，并且絲毫未對設(shè)備造成暫停或損害。

 

回返隔離

因為工件表面的不規(guī)則、與表面法線對齊不精確以及處理光學(xué)元件采光角度的限制，典型的回返激光通常只占激光器功率的一小部分。此外，回返現(xiàn)象通常持續(xù)時間很短，例如打孔這樣的應(yīng)用。但是，部分光纖激光器的設(shè)計會難以處理甚至無法處理反射材料�；胤翟斐傻膿p傷，通常是由于光功率在聚合物材料上的能量堆積而導(dǎo)致過熱或燃燒引起的。nLIGHT alta^TM光纖激光器會剝除耦合到饋送光纖的回返光，并將其引導(dǎo)到水冷光束吸收器，激光在此被轉(zhuǎn)換為熱量，不涉及任何聚合物，從而消除了主要的損壞原因。無聚合物的隔離器，旨在連續(xù)吸收消除>500W的回返激光，如圖3壽命測試所示。

 

 

圖3：在>500W連續(xù)消除回反光的條件下，數(shù)千小時的連續(xù)穩(wěn)定性壓力測試中并無任何運行不穩(wěn)定的跡象；以3kW nLIGHT alta^TM光纖激光器快速連續(xù)執(zhí)行4000次打孔的客戶測試，無處理中斷或打孔失敗。

 

 

我們評估了隔離系統(tǒng)在打孔應(yīng)用中的性能，其中最高回返信號發(fā)生在激光切割期間。在測試中，成功處理了4000 例銅材料連續(xù)打孔，沒有中斷或打孔失敗的情況。與我們的回返隔離器所提供的基于硬件的穩(wěn)定保護相反，部分光纖激光器采用了在出現(xiàn)回返時會導(dǎo)致激光器無法使用的軟件保護。軟件方法可以保護激光器，但是也妨礙了連續(xù)的材料加工。

 

通過光電探測器可監(jiān)測被吸收在隔離器中的回返光。此傳感器的實時輸出可供用戶用于生產(chǎn)監(jiān)測、優(yōu)化和控制，例如打孔監(jiān)測或包括光束位置和焦點等的工具校準。

 

圖4：在進行不銹鋼、鋁和銅金屬板打孔時從工件返射的激光信號示例。

 

高反射切割結(jié)果

金屬板材切割是千瓦級光纖激光器的最大市場。汽車、航空航天、電子工業(yè)（例如輕質(zhì)材料與鋰離子電池電芯等）的應(yīng)用正逐漸轉(zhuǎn)向采用包括不銹鋼/鏡面不銹鋼、鋁、黃銅、銅、銀和金等在內(nèi)的高反射材料。

 

很多這些材料由于其打孔時產(chǎn)生的高反射現(xiàn)象，在加工時，都極具挑戰(zhàn)性。然而，采用恩耐新型光纖激光器后，尚未發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定或故障現(xiàn)象。目前，采用3kW光纖激光器的最大切割厚度為12mm（不銹鋼、鋁、黃銅）和10mm（銅）。切割速度與切割質(zhì)量等同或優(yōu)于其他光纖激光器能達到的程度，且不斷進行工藝優(yōu)化，增加切割厚度、提高切割速度并改善邊緣質(zhì)量（見圖5）。

   

圖5：不銹鋼、鋁、黃銅、紫銅的切割邊緣。

 

高反射焊接結(jié)果

nLIGHT alta^TM光纖激光器也已經(jīng)成功應(yīng)用于低碳鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅材料的焊接。焊接通常會產(chǎn)生比切割程度更高或持續(xù)時間更長的回返現(xiàn)象，然而即使以法線入射焊接，也沒有出現(xiàn)激光器不穩(wěn)定或損壞的情況。圖6所示為銅焊接示例，這是非常有難度的應(yīng)用，該應(yīng)用已經(jīng)導(dǎo)致其他光纖激光器的嚴重損壞。

 

圖6：510系列銅焊接縫(a)及其橫截面(b)，以及純101系列銅焊接縫(c)與焊接后的采樣部分(d)。

 

圖7所示為恩耐nLIGHT alta^TM光纖激光器與某傳統(tǒng)光纖激光器進行黃銅焊接后的截面比較， 前者卓越的焊接質(zhì)量顯而易見。

 

 

圖7：nLIGHT alta 3kW光纖激光器(a)和傳統(tǒng)3kW光纖激光器(b)進行黃銅焊接后的打磨橫截面表面(a)的超卓焊接質(zhì)量。(b)中沿著焊縫可見焊接缺陷（氣孔）。

 

傳統(tǒng)光纖激光器本身存在的局限性以及強制停機等問題，都導(dǎo)致無法有效處理高反射材料。而恩耐新一代光纖激光器架構(gòu)，為千瓦級激光器材料處理、尤其是高反射材料的處理帶來了一場新革命。nLIGHT alta ^TM回返隔離器完全集成到了激光器架構(gòu)中，而其它解決方案試圖在處理光纖或有自由空間的光學(xué)部件上集成保護裝置，或者在有損壞風(fēng)險時強制關(guān)閉激光器；這些方法并未從根本上解決機器損壞問題，反而減少了設(shè)備使用壽命，也限制了處理高反射材料的能力。nLIGHT alta^TM光纖激光器已經(jīng)被部署在了全球各地極具挑戰(zhàn)的工廠環(huán)境中，并且已經(jīng)在各種應(yīng)用中展現(xiàn)了無與倫比的高性能、高穩(wěn)定性和超長開機時間、以及不間斷地加工處理各種高反射材料的優(yōu)勢。