高功率、高亮度光纖激光器使遠(yuǎn)程激光掃描(RLS)應(yīng)用飛速發(fā)展。相比其他技術(shù)，RLS具有更強(qiáng)的靈活性和更快的加工速度，并且極大程度的縮短了大尺寸工件的加工周期。
那么，高亮度（光束參數(shù)乘積[BPP]<1.5 mm-mrad）光纖激光器是如何在遠(yuǎn)程激光掃描應(yīng)用中發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)的呢？
由于特殊的光學(xué)性能，恩耐高亮度光纖激光器能夠使系統(tǒng)集成商實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加工，有效提升遠(yuǎn)程加工頭在作業(yè)中的安全性。并且通過與快速定位光束的掃描頭相結(jié)合，恩耐已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁、銅等高導(dǎo)熱金屬，以及新型、輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料的遠(yuǎn)程激光切割、刻蝕與焊接。
高亮度光纖激光器
傳統(tǒng)光纖激光器采用光纖耦合技術(shù)將多束激光輸出耦合在一起，導(dǎo)致輸出激光的亮度更低。而恩耐nLIGHT altaTM新一代光纖激光器采用了創(chuàng)新型架構(gòu)，通過將泵浦二極管和驅(qū)動(dòng)器合并在獨(dú)立的泵浦模塊中，增益光纖安裝在可配置的增益模塊中，可以輸出8kW 以上的激光功率。增益模塊基于新穎的主振蕩器/功率放大器 (MOPA) 設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高亮度激光輸出（圖 1）。此外，恩耐激光器還采用了可靠的集成式返射隔離器來保護(hù)所有模塊免受返射光的影響，可以對(duì)高反材料進(jìn)行滿功率、不間斷、穩(wěn)定的加工。這兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新在RLS 應(yīng)用中起到了至關(guān)重要的作用。
圖1：nLIGHT altaTM新一代光纖激光器的高亮度性能。
RLS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于掃描頭的工作距離、焦斑尺寸以及掃描范圍。使用高亮度光纖激光器的一個(gè)好處就是它能夠增大工作距離和掃描范圍，同時(shí)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(gè)商用RLS 掃描頭產(chǎn)品（SCANLAB IntelliWELD 和 IntelliSCAN）展示了更高亮度激光的好處（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(shí)焦斑尺寸可以縮小14%。nLIGHT 激光器可以提供功率高達(dá) 8kW 的高亮度輸出。
遠(yuǎn)程激光焊接
焊接解決方案的選擇對(duì)于每個(gè)應(yīng)用來說都是一個(gè)復(fù)雜的問題。一般來說，短焊縫數(shù)量越多，并且分布在較大的面積上（例如門、座椅結(jié)構(gòu)以及汽車總成的車體部件）。相比固定光學(xué)頭焊接，遠(yuǎn)程激光焊接（RLW）的優(yōu)勢(shì)也更大。恩耐已經(jīng)有采用RLW 技術(shù)后加工周期縮短高達(dá) 50% 的案例。圖 2 為部分示例，其中的焊接需求因 RLW 系統(tǒng)而受益。示例同時(shí)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(jié)構(gòu)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(xù)到底板。這種類型的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)焊接頭進(jìn)行焊接并不容易實(shí)現(xiàn)。
圖2. 汽車總成需要將一組管子的末端焊接到一個(gè)較大的結(jié)構(gòu) (a)。(b) 例所示為大型（約 30 × 60cm）汽車座椅結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，要求在頂部進(jìn)行焊接，并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(jìn)功能，例如，如果需要使焊接點(diǎn)在焊接區(qū)域內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)，或加工過程包含復(fù)雜的焊接形狀（圓形，C形等），采用掃描方式的加工速度和精度會(huì)比使用機(jī)器人進(jìn)行小幅度高速運(yùn)動(dòng)的效果更好。RLW 掃描頭的掃描速度可以達(dá)到每分鐘90至180m，而傳統(tǒng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度最大只有約 10m/min。
高亮度光纖激光器加工高導(dǎo)熱材料時(shí)，最好是采用小光斑，以保持焊接小孔的穩(wěn)定，但此加工方式可能會(huì)使加工過程過于劇烈，產(chǎn)生大量焊接飛濺。實(shí)驗(yàn)證明，高亮度激光器配合遠(yuǎn)程掃描頭的高速定位，顯著減少焊接飛濺，這是通過光束擺動(dòng)確保焊接小孔穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)的。圖 3 表明，焊接銅、鋁時(shí)，如果不使用光束擺動(dòng)模式，焊接飛濺將會(huì)很嚴(yán)重。一旦采用高頻擺動(dòng)光束，焊接飛濺就會(huì)減少。此外，恩耐激光獨(dú)創(chuàng)的抗高反技術(shù)在此應(yīng)用中也不可或缺，通過安裝一個(gè)保護(hù)裝置，避免設(shè)備受到返射光的傷害。加工銅和鋁這類高反射金屬時(shí)，返射光是不可避免的，傳統(tǒng)激光器由于對(duì)返射光的天然敏感性，可能會(huì)導(dǎo)致加工不穩(wěn)定和破壞性自動(dòng)關(guān)機(jī)，甚至報(bào)廢。
圖3. 無光束擺動(dòng) (a) 和有光束擺動(dòng) (b) 的純銅焊接飛濺情況觀察結(jié)果，擺動(dòng)優(yōu)化顯示無焊接飛濺 (c)。(d-f) 所示為對(duì)鋁材進(jìn)行光束擺動(dòng)應(yīng)用的效果，焊接飛濺減少。（圖：德國德累斯頓 Fraunhofer IWS 以及 SCANLAB）。
結(jié)合掃描頭的高速度和激光器的高亮度，恩耐實(shí)現(xiàn)了以高達(dá)42m/min的速度焊接銅和銅合金，同時(shí)保證了良好的焊接質(zhì)量和焊接熔深（圖 4）。
圖4.以高達(dá) 42m/min的速度形成的銅（99.95% 銅）焊縫。
加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
光纖激光器的高亮度配合高速掃描具有明顯優(yōu)勢(shì)的另一應(yīng)用是碳纖維復(fù)合材料（CFRP) 的切割、3D 成形以及鉆孔。碳纖維復(fù)合材料 - 也稱為碳纖維層壓材料，廣泛應(yīng)用于汽車輕量化，是時(shí)下更節(jié)能和安全的新一代制造材料。碳纖維復(fù)合材料是以高純度碳纖維編織層與硬化復(fù)合材料（如環(huán)氧樹脂）粘合，非常牢固堅(jiān)硬。
如今，在交通工具領(lǐng)域，尤其是飛行器和汽車行業(yè)，都有輕量化的需求，這對(duì)減少能耗與 CO2排放等可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都具有深遠(yuǎn)的意義。大規(guī)模制造市場(chǎng)（例如汽車）越來越需要快速而低成本制造工藝，包括碳纖維復(fù)合材料成型、連接和切割工藝。長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的機(jī)械切割工藝會(huì)使機(jī)器工具受到磨損，從而必須通過切割工具的頻繁更換以保持部件的精度，增加了加工周期與制造成本。此外，機(jī)械加工通常要求用水來冷卻部件，并帶走碎屑，減少粉塵。在切割后，為了減輕水對(duì)部件的影響，還須經(jīng)常對(duì)部件進(jìn)行干燥，延長(zhǎng)了整個(gè)制造流程工序。水射流切割的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要復(fù)雜的水管路。激光技術(shù)為碳纖維復(fù)合材料加工提供了無磨損、無外力和無水的加工工藝，并且速度快、自動(dòng)化程度高，輕而易舉地解決了碳纖維復(fù)合材料機(jī)械切割的所有不足。
圖5.單向 (UD) 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (CFRP) 刻蝕，UD CFRP 切割邊緣質(zhì)量顯示非常少的熱影響區(qū)域 (a)，CFRP織物刻蝕與切割實(shí)例 (b) 以及CFRP織物樣本刻蝕各步放大圖像 (c)。
圖 5 所示為各種采用高亮度連續(xù)波(CW) 光纖激光器實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料高速加工的實(shí)例。第一個(gè)案例展示了單向 (UD) 碳纖維復(fù)合材料的刻蝕工藝，纖維方向與刻蝕方向成45°。在此案例中，采用3kW nLIGHT 光纖激光器以 15m/s的掃描速度在30×30mm的方形區(qū)域內(nèi)刻蝕深度170μm。可以看到刻蝕區(qū)域的邊緣很銳利，刻蝕表面并未受到熱效應(yīng)損傷。在這個(gè)2mm厚度的樣品上，即使基體材料的刻蝕厚度達(dá)到1.1mm 時(shí)，背面溫度也保持在110℃以下。這個(gè)結(jié)果是遠(yuǎn)程激光掃描系統(tǒng)通過結(jié)合使用小光斑激光源和高速定位與格式生成實(shí)現(xiàn)的。在以6m/s速度切割類似的單向碳纖維復(fù)合材料時(shí)，可以得到出色的邊緣質(zhì)量，幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱影響，且無殘留纖維（圖 5a）。碳纖維復(fù)合材料織物（圖 5b 與 5c）的切割與刻蝕也能得到同樣的效果。在該案例中，樣品是分步刻蝕的，其邊緣也很干凈，且沒有受熱影響的情況。
結(jié)論
新一代光纖激光器正在千瓦級(jí)材料加工領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命。憑借其獨(dú)特的架構(gòu)，nLIGHT altaTM 提供了業(yè)內(nèi)最高亮度的千瓦級(jí)激光器。這樣的性能結(jié)合高速掃描系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)此前難以企及的加工速度與應(yīng)用。抗高反技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)高反射材料的滿功率、不間斷焊接，同時(shí)確保獲得連續(xù)、穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量。將高亮度激光器與掃描系統(tǒng)結(jié)合用于碳纖維復(fù)合材料的切割和刻蝕可以實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量的加工，且熱影響極小，大力推動(dòng)了先進(jìn)新材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
致謝
nLIGHT altaTM 是 nLIGHT 的商標(biāo)。
作者對(duì) Fraunhofer IWS（德國德累斯頓）、SCANLAB AG、Blackbird Robotersysteme GmbH 以及 Laser Zentrum Hannover e.V. 表示感謝。
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