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光纤激光器在光纤激光切割技术中的应用


1.光纤激光器在常见激光加工中的应用

目前,在全球市场上应用的光纤激光器已经超过百种型号,应用范围广泛。按照输出功率可以依次分为三个层次:低功率光纤激光器(低于50W),主要应用于微加工、打标、调阻、精密钻孔、喷码、金属雕刻等;中功率光纤激光器(50~500W),主要应用于薄金属板的切割、打孔、焊接和表面处理;高功率光纤激光器(高于1000W),主要应用于厚金属板材的切割、特殊板材的三维加工、金属表面的熔覆等。

光纤激光器与YAG激光器相比,具有一系列的优点:

(1)输出功率高达20kW,是目前国际上功率最高的激光器。波长在1.070um附近,对大部分材料吸取效率较高。可用于焊接、切割、打标、雕刻、熔覆及再制造等各类激光加工作业。

(2)体积小,重量轻,便于移动。光束质量优良(11.6mm·mrad),焦点光斑直径较小(10~100um),光束在光纤中几乎呈平行传输,易于和机械手配合,实现激光远距离加工。

(3)总体光电转换效率高达25%~30%。寿命取决于半导体泵浦源,可以长时间稳定工作,维护方便,运行成本低。

2.光纤激光器在激光切割技术中的应用

前已述及,激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时,与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现割开工件的一种热切割方法。决定切割动态的参数有波长、功率、光束质量和光斑大小等,脉冲光纤激光主要用于薄金属的精细切割,而连续光纤激光则用于切割各种有厚度的材料,最厚可达1.5in(约为3.81mm)。波长1.070um的掺镜光纤激光器是激光切割的理想光源,光纤激光器在切割领域的优点包括工作波长可调范围宽(0.38~4.0pm),易于获得高光束质量的千瓦级甚至兆瓦级超大功率输出,具有良好的光束质量,并且有效功率范围大、功率稳定、光斑小等。光纤激光器的动态工作功率范围非常大,即使激光功率发生变化,光束焦点及其位置依然保持固定,从而使每次的处理结果始终保持一致。通过改变光学装置可大范围地改变光斑尺寸,从而允许终端用户根据切割材料和壁厚选择相应的功率密度。光纤激光器光束质量高,光斑小,脉冲能量高,非常适合薄材料的精细切割。脉冲切割方式产生的熔渣和热影响区极小,是许多微加工领域必不可少的切割方式。光斑小,功率密度就高,相应的切割速度就快,切缝质量就好。

光纤激光器脉冲调制可以实现对心血管支架、太阳能电池板硅片、模具等的切割。高功率多模激光通常用于薄板材和厚板材的连续切割。由于景深大、光斑小,厚金属切割时形成的切口小、切壁直。

高功率多模激光切割的常见应用领域包括汽车车身零件的三维切割,航空领域铝、钛合金材料的钟钉孔切割,造船和钢铁行业的厚钢板切割。

由于光纤激光器在效率、散热、光束质量等方面的明显优势,特别是近年来的强劲发展,及其在整个激光市场的份额不断扩大,业已引起人们的广泛关注,高功率光纤激光研究已成为国际上激光技术领域研究的热点。国内越来越多的企业和科研单位投入到光纤激光切割研究之中,但是到目前为止,仍与国外有很大差距,一些关键技术还有待解决,如特种光纤技术、包层泵浦藕合技术、光纤光栅技术、半导体泵浦激光技术和光纤激光器整机技术等。随着市场需求量的增长和生产工艺的流水线化,半导体泵浦激光器和光纤组件的生产成本将会显著降低,未来的光纤激光器会有广阔的发展前景。

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