碟片激光器

碟片激光器的应用及优势

碟片激光器在工业制造业中应用很广泛，例如高速切割和各种焊接，包括常规焊接和飞行焊接等。

一、碟片激光器的应用

1.激光机器人扫描焊接

激光机器人扫描焊接又称远程焊接。将碟片激光器激光束通过光纤传至安装在机器人上的可编程聚焦光学头(PFO)，PFO内装有两片高速扫描反射镜(常称“振镜”)，它们使激光束按所编程序的路径作高速而精确的运动，通过远心透镜聚焦实现工件的焊接。由于在机器手运动的工程中，两片振镜亦可同时进行高速扫描，因此这种焊接也称为飞行焊接。

激光机器人扫描焊接的特点是速度快，焊接头离工件远。其应用很广泛，以汽车白车身制造为例，激光扫描焊接正成为替代传统电阻点焊的一种手段。例如，大众汽车公司传统的电阻点焊工艺采用4个机器人，5个焊枪，焊34个点，加上装卸时间，一共需要34．7 s；现在采用激光扫描焊接，完成同样的工作，即34个焊点，且焊点形状为C型(C型焊点较圆点型焊点强度更高)，只需1个机器人，1个PFO，而时间缩短为13 s。这不仅大大提高了焊接强度和效率，也减轻了车门的重量，因为激光扫描焊接与电阻点焊不同，焊头无需接触部件，因此焊接处的凸缘宽度可以大大减小。这样既节省了材料(成本减少)，又减轻了车身的重量(油耗降低)，非常符合汽车的生产要求。

2．厚钢板和铜板的激光穿透焊接

厚钢板的焊接需要很高的激光功率。如前所述，碟片激光在大功率下仍保持良好的光束质量，因而对厚钢板的焊接具有特别的优势。图4为8 kW碟片激光器焊接6 mm厚度不锈钢板的截面图。

激光焊接铜材比焊接钢材难度大许多，这是因为铜材表面反射率很高，入射的激光能量不易吸收。同时，铜的热传导系数很大，吸收的激光能量会很快扩散到整个铜部件。因此铜板的焊接需要更高的激光功率。图5所示为四块厚度为1．5 mm的E-铜板用16．5 kW碟片激光器叠焊的截面全相图。

3．碟片激光器的切割

激光的光束质量对于切割尤为重要，因为光束质量好意味着光束的聚集效果好，焦斑尺寸小，功率密度大。碟片激光器可以输出几乎接近衍射极限光束质量的激光，而且能在高功率下保持这种优良特性，因此切割速度快，质量好。图6所示为1 kW的碟片激光器对低碳钢、不锈钢和铝的切割试验曲线(切割速度与材料厚度的关系)。

二、碟片激光器的优势

(1)模块式结构

整个激光器采用模块式结构。各模块均可在客户现场迅速更换。冷却系统和导光系统与激光源集成在一起，结构紧凑，占地面积小，安装调试快。

(2)极好的光束质量，并且标准化

通快所有超过2 kW的碟片激光器，光束参数积(BPP)均被标准化为8 mm／mrad。激光器不随运行模式的变化而改变，且与通快所有光学元件兼容。

(3)抽运光和受激辐射光的光斑尺寸均较大

由于碟片激光器内的光斑尺寸较大，因此各光学元件上承受的光功率密度较小。光学元件镀层的损坏阈值通常约为500 MW／cm2，石英的损坏闻值为2—3 GW

／cm2。通快碟片激光器谐振腔内的功率密度通常小于0．5 MW／cm2，耦合光纤上的功率密度小于30 MW／cm2。如此低的功率密度不会造成光学元件的损坏，也不会产生非线性效应，从而确保了运行的稳定可靠性。

(4)采用激光功率实时反馈控制系统

实时反馈控制系统可使到达加T件上的功率保持稳定，加工结果具有极好的可重复性。碟片激光器预热时间几乎为零，可调功率范围为1％-100％。由于碟片激光器彻底解决了热透镜效应的问题，因此在整个功率范围内激光功率、光斑大小、光束发散角都是稳定的，光束的波前不发生畸变。

(5)光纤可在激光器继续运行的状态下即插即用

在某～光纤出故障的情况下，更换该光纤时，只需关闭该光纤的光路，不必关机，其它光纤可继续输出激光。光纤更换操作简单，即捅即用，无需任何工具，也无需对准调校。接口处具有防尘装置，严密防止灰尘从光纤连接处进入光学元件区域。

(6)安全可靠

加工过程中，即使被加工的材料反射率很大，以致有激光回射到激光器内，对于激光器本身以及加工效果均无影响，也对材料加工、光纤长度无任何限制。激光操作安全性获德国安全证书。

(7)抽运二极管模块更换简单迅速

安装在抽运模块上的二极管阵列也是模块结构。二极管阵列模块具有很长的使用寿命，其保修期为3年或2万小时。无论是有计划的更换。还是因突发故障需要立即更换都无需停机。在某一个模块出故障时，控制系统会报警并自动地适当提高其它模块的电流以保持激光输出功率恒定，用户还可以继续工作十几甚至几十个小时。生产现场更换抽运二极管模块非常简单，操作人员无需培训。

(8)具有远程诊断功能

通快建立了全球范围的服务网，如客户现场的机器发生故障，无论是激光器还是光学元件，除了工程师可以迅速赶到现场外，还可先通过网络向通快德国总部的服务热线(每天24小时不停断)求助。服务热线的工程师可以通过网络直接对机器提供诊断，不仅大大减少服务费用，还可以对机器进行预防性的维护。

(9)优良的外围设备及网络系统

激光器可以通过控制接口灵活连接多个工作站和多台激光器，形成激光网络。通过编程，可以给各个工作站和激光器指派工作任务，完成自动化的流水线生产。

(10)提供工业应用整体解决方案

通快在工业制造技术的激光应用方面积累了丰富的经验。他不仅能完全一手生产激光器、导光系统、光纤、光学元件及附件、标准控制接口、控制软件等一系列完整激光设备所需要的硬件和软件，而且具有强大的研发队伍和实验室，可给客户提供实验测试乃至整体解决方案。许多已被实践证明行之有效的加工数据已输入机器的数据库内供用户随时调用，从而为客户节省了大量研发时间。

三、结语

碟片激光器由于解决了传统固体激光器的热透镜效应问题，即使在大功率下也能保持良好的光束质量。转换效率高，运行费用低的特点使其在工业应用中发挥着独特的优势。随着每块碟片晶体的激光输出功率能力的不断增强，碟片激光器最大输出功率将不断创新高，而价格将逐渐下降，其在工业制造业中应用也将越来越广泛。