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光纤激光器在焊接应用的突破

文章附图


Tony Hoult,
IPG Photonics Santa Clara技术中心应用经理


近几十年来,包层泵浦光纤激光器在激光行业大获成功,且近期的报告显示这种增长将继续保持良好的趋势。无论是用于打标的低功率光纤激光器,还是用于切割及焊接的高功率光纤激光器都迅速地扩大了市场份额。近期报告还显示,用于工业激光器最大市场金属薄板切割的光纤激光器将很快超过CO2激光器。此外,作为制造皮秒和飞秒短脉冲激光器的重要元件,光纤放大器、光纤准直镜等光纤激光器元件也在被广泛使用。

准连续(QCW)光纤激光器

本文我们将介绍同样正在市场迅速崛起的第三种光纤激光器。被称为准连续(QCW)激光器的一类近红外光纤激光器正在迅速取代历史悠久的Nd:YAG灯泵浦激光器。电光转换效率高、可靠性好、免维护、稳定性强及更小的占地面积——这些光纤激光器相对于其他激光器的核心优势已具有良好的证明,准连续光纤激光器同样具备上述所有优势。


自2011年荣获国际光学工程学会颁发的Prism奖以来,准连续光纤激光器已经获得产品系列的全面发展,某些型号具有高达20 kW的峰值功率。由于切割及钻孔应用曾经在《激光微加工工艺在规模生产中的应用》中进行过讨论,我们这里将讨论准连续光纤激光器其他更多的应用。


研发准连续光纤激光器的初衷,是希望将光纤激光器的优势引入那些需要低平均功率、低占空比的脉冲激光焊接,例如图1所示的有限热导点焊。然而研究人员很快发现,这些高亮度能量源可以使用更小芯径的传输光纤。实际上,准连续光纤激光器可连接单模光纤(芯径小于15 μm),具有极为精细的切割及钻孔性能。


图1   典型的有限热导点焊


许多光纤激光器(但不是全部)区别于其他激光工艺的特性在于单芯结二极管激光泵浦源。作为全球高功率光纤激光器的领导者,成功在很大程度上得益于这些单芯结二极管的稳定性和使用寿命。使用单芯结二极管泵浦而不是二极管巴条或阵列的一个显著优势在于可以在0–100%的占空比范围内泵浦有源光纤,也就是说可以在0–100%的占空比范围内调制连续激光器。这种调节范围在QCW光纤激光器上同样适用。


实际上光纤激光器的有源光纤芯径本身特别的小(<15 um),所以只能形成单模输出。这样不仅能够高效的生成相干光束,而且凭借其超高的表面积/体积比率,光纤几乎完全可以进行自冷却。由此解决了温度波动及相关的热效应问题,保证了极其稳定的光束输出。


用小芯径有源光纤输出激光束的另外一个重要作用,就是在必要的时候,可以通过单模无源光纤(称为“传输光纤”)将激光输出至激光加工头。这种情况下光束具有最大的亮度和聚焦性能。在许多材料加工应用中,专业技术人员可以通过接入芯径较大的传输光纤,或是只是简单地添加一个光耦等方式,从一台激光器中获得不同的光束直径及光斑尺寸。

Q

什么是准连续光纤(QCW)激光器?

A

通常人们对于“准”这个前缀的理解是,

该物体保留了其自身的一部分特性。

因此,准连续光纤激光器保留了

连续波光纤激光器的所有众所周知的

优势,而且还有一个重要的特性——

峰值功率增至连续波功率的10倍——

增加的多个泵浦二极管只需简单的接入有源光纤。将这些二极管的占空比限定为10%大幅降低了对电源功率的需求,但当激光器处于脉冲模式时,就能产生10倍以上的瞬时(峰值)功率。某些型号甚至可以在几毫秒的脉宽内产生高达60 J的脉冲能量。


激光“耦合”或破坏金属表面反射率从而开始产生一次焊接的能力与激光脉冲的峰值功率密切相关。由于真正的QCW脉冲激光器拥有高一个数量级的峰值功率,这种耦合能力大大增强。这种特性使QCW激光器在低功率激光焊接应用中对传统的灯泵浦激光器和连续激光器非常有竞争力。


由于准连续光纤激光器的研发初衷是点焊,因此需要注意的是, 150 W连续激光器需要67 ms产生10 J调制脉冲能量。光束峰值功率与连续输出功率相同,也是150 W。下图中的公式表明,这种较低峰值功率的光束所生成的峰值功率密度(也就是辐照度)会更低。

然而,能量需求最低的准连续激光器在用于图1所示的有限热导点焊时,能在频率为15 Hz,脉宽为8 ms时生成峰值功率为1250 W的10J脉冲能量。很明显,10 ms内在焊接部件上产生的间接热影响要比67 ms所产生的间接热影响小得多。


准连续光纤激光器的命名规则反映了增强的峰值功率,以XXX/YYYY组合表示,其中XXX为平均功率,YYYY为峰值功率——峰值功率通常为平均功率的10倍。所以,一台型号为“150/1500”的激光器表示在一个脉冲周期内其平均功率为150 W,峰值功率为1500 W ,最大占空比为10%。如今,准连续激光器的平均功率最高已达到2 kW,峰值功率达到20 kW,用于航空航天合金高速激光钻孔(如图2所示)。



图2   用于航空航天钻孔应用的高功率准连续光纤激光器


从本质上说,如果某种激光工艺需要峰值功率,那么与可以提供相同峰值功率的连续激光器比,这种准连续光纤激光器更具性价比。新一代准连续光纤激光器的脉宽可低至10 μs。需要注意的是,最大脉宽与峰值功率成反比:脉宽为10 ms时峰值功率为1500 W,脉宽为15 ms时峰值功率为1000 W,脉宽为50 ms时峰值功率为300 W,脉宽越长,峰值功率越低。因此,对峰值功率的要求越低,比如焊接低反射材料,可选择的脉宽就越长,占空比也越高。


准连续光纤激光器的连续或连续调制模式

单芯结二极管泵浦使准连续激光器的另一个特性成为可能,激光器可以设置为脉冲模式或连续模式,这也是QCW的前缀“准”的含义。在连续模式下,准连续光纤激光器的平均功率高30%。在连续调制模式下,QCW可以在进行切割时最小化对部件的热影响。同样,在连续模式下,配合带低模光纤的扫描振镜QCW可进行超高速、高深宽比的‘微型钥匙孔’焊接(如图3所示),与图1的焊接方法比,这需要非常高要求的部件装配。


图3   微型钥匙孔焊接


时域脉冲整形模式

时域脉冲整形是多年来用于灯泵浦激光器的技术。对于某些医疗器械的加工,例如心脏起搏器钛外壳的激光焊接等,这种技术被广泛使用。脉冲整形发生器(PSG)专用的图形用户界面(GUI)可实现灵活多变的时域脉冲整形,使得QCW激光器可以提供梯度变化的脉冲能量(如图4所示)。这可以用来在激光焊接开始和结束的位置避免“焊接管“或气孔等焊接变形。


图4   4 ms脉冲周期内脉冲梯度下降的图形用户界面


内部微焊接试验也表明,延长激光焊接脉冲的尾部,减少了凝固过程中由表面张力产生的波纹等,因此能使焊缝表面更光滑(如图5所示)。


图5   薄箔焊接的光滑焊点


高亮度应用

使用配有50 mm聚焦镜、60 mm准直镜的激光加工头和单模光纤可产生直径<20 μm的聚焦光斑。根据峰值功率密度(辐照度)与聚焦光斑尺寸的关系(如前面公式),峰值功率密度很容易达到500 MW/cm2。采用已有的光束传输系统的高性价比光纤激光器从未获得过如此高的峰值功率密度和焦耳级的脉冲能量。这使光纤激光器的加工能力成功地拓展至非线性领域,对1070 nm波长高透射率的材料可以成功的进行激光加工。这些应用中最著名的是不同类型玻璃的激光切割,对蓝宝石和陶瓷进行切割和钻孔,甚至切割硅材料,尽管相对较长的光束加工时间可能会需要后工序处理。


铝的焊接

在铝的焊接应用中,300/3000准连续光纤激光器(如图6a所示),甚至是450/4500风冷型准连续光纤激光器所提供的峰值功率、脉冲能量及平均功率特别适合之前采用灯泵浦Nd: YAG激光器焊接的微波组件外壳。为了获得合适的高脉冲能量及光斑尺寸,我们通常选用芯径为100 μm或者是200 um的多模传输光纤和配有焦距为100 mm的准直镜和200 mm的聚焦镜的焊接头组合(如图6b所示)。



图6    QCW 300/3000光纤激光器(a)及焊接头和准直镜(b)



电池的生产

在备受关注的能量存储行业,准连续光纤激光器即将要大展身手。用单脉冲高速焊接电池极耳已经有成功的应用。目前已经实现的是铝和钢甚至是铜和铝之间的异种材料焊接使用激光焊接可以有两个方法确保良好的电气连接:


1.      采用旋转光束技术形成螺旋形或是小口径同心环焊缝
2.      每个电池极耳上采用多个高脉冲能量、单脉冲激光焊接

或许异种金属材料的焊接尚未得到金属焊接专家的认同,但是用巧妙的设计来限制这些焊接点的机械负载,看起来已经解决了其中一部分问题。



焊接掩模模板生产

Tannlin是最早在复杂模板切割系统中采用光纤激光技术的公司之一。这种集成激光模板切割机包含了电子组装工艺中高性能模板厂商所需的同步自动光学监测。新型直接激光焊接多层的工艺问世,跟制作传统制作SMT模板采用的影像/电化学和机械研磨的传统工艺相比,更为灵活精确。

这种方式可以在选定PCB区域增加或减少焊膏和焊点高度,解决诸如混合元件技术、焊盘面积大,回流干扰或是共面度等多种问题。新技术的应用,还改善了掩模与印刷板之间的衬底和打印重复性,改善了PCB板上存在的平整性问题,例如标签、掩模不平整和帐篷型通孔等问题。此外还实现了PCB板3D孔洞的同步打印。为了使这种多层打印方法成为可能,我们专门开发了一台光纤激光传输设备,用一台激光器和一套光束传输系统实现切割和焊接两用(如图7所示)。很显然,没有任何一台其他类型的激光器具有将高质量切割和微焊接相结合的灵活性与稳定性。


图7   精密焊接、组合式切割及焊接头



新型激光连接技术

红外激光器对聚合物的焊接在人们的意料之外,人们发现了在小型元件例如在微流体元件中的应用需求。在这些应用中,传输光纤直径通常远大于在进行金属加工时所使用的传输光纤直径,因此激光光束具有聚合物焊接时所需要的平顶光特性。高亮度的光纤激光光束在经过长焦距镜片后可获得聚合物焊接所需的较小的光斑尺寸(在聚合物焊接时)。因此工艺上允许工件垂直方向上工件形状的变化。在其他应用中,在工件垂直方向上的高度及与工件的距离无关时使用经准直的平行光束。


虽然这种技术刚刚起步,对使用连续(CW)模式、大直径光纤的准连续激光器进行聚合物和金属自身粘合在在《塑料与金属的激光连接》中也有论述。



结论

光纤激光器众所周知的许多良好特性,与创新的激光器设计和大规模自主生产(垂直集成)所带来的优势一起,创造了另一批激光器并向更广阔的工业激光器市场进军。



关于IPG

IPG光子公司是全球高功率光纤激光器和放大器的领导者。公司始创于1990年,它倡导将基于有源光纤的激光器推广应用于材料加工、通讯、医疗、科研等多种先进领域。光纤激光器的应用为激光领域带来了革命性的变革,具有卓越的性能、可靠性、综合使用成本低等优势,为用户提高了生产率。2013年,IPG光子公司被评为福布斯100家增长最快公司的第8位。2014年10月,IPG被世界经济论坛评为”全球成长型公司“。


IPG总部设在美国马萨诸塞州牛津市,并在全球多个国家建有生产、销售及服务基地。阿帕奇(北京)光纤激光技术有限公司是IPG光子公司在中国的全资子公司,主要负责IPG光纤激光产品在中国地区的市场开拓、应用研发、系统集成、产品销售、售后服务和技术支持。


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