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激光資訊

QCW準連續激光器迎來高速發展時代-QCW光纖激光焊接機-超米激光

對于企業來說,使用準連續(QCW)光纖激光器的原因有許多,例如光纖激光器結合了一臺脈沖Nd:YAG激光器的鉆孔和焊接優勢以及一臺CO2激光器的切割能力。

采用傳統技術無法實現這些加工性能的組合,所以在過去許多公司同時擁有CO2激光器和Nd:YAG激光器來應對更廣泛的加工需求和應用。QCW光纖激光器可以在脈沖和連續(CW)模式下工作,所以單個激光器便可以處理過往需要兩個不同的激光器才能完成的各種加工任務。

圖1:光纖激光器是一種固態激光器,配置了永久密封連接的連續光纖以防止灰塵和污垢的產生,并且不含移動部件。

今天,數以萬計的光纖激光器正全天候應用于不計其數的行業和領域。在許多材料加工應用中,這些激光系統正在快速替代Nd:YAG 激光器和CO2激光器的作用。除此外,企業正在替換現有生產線上的舊激光器,同時確保其現有設備的停產損失被降至最低。

為何選擇QCW光纖激光器?

準連續光纖激光器如今已成為現代制造工廠的一部分。

這類激光器可以同時在連續和高峰值功率脈沖模式下工作。與傳統的連續(CW)激光器不同,其峰值和平均功率在CW和CW/調制模式中總是相同的,而QCW激光器在脈沖模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。

因此,這樣能夠在從幾十赫茲到幾千赫茲的重復頻率下產生具有高能量的微秒和毫秒脈沖,并且可實現數千瓦的平均功率和峰值功率。

耗材和維護要求

圖1顯示的是一臺典型的光纖激光諧振器。它是一種固態激光器,配置了永久密封連接的連續光纖以防止灰塵和污垢的產生,并且不含移動部件或自由空間鏡片,諧振器無需做任何調整,沒有耗材,也不需要維護。

這些特點有助于確保激光器的性能,從而使其在多年的操作中保持穩定性和一致性。在沒有消耗性部件的情況下,輸出功率沒有衰減,激光輸出的光束質量也維持不變,并且也不再需要技術人員做定期調整,以保持激光加工系統的正常運作。

電光轉換效率

電光轉換效率(WPE)是指激光器將消耗的電能轉換為光輸出功率的效率指標。

QCW光纖激光器的固態光纖諧振器基于其較大的表面積/體積比而能有效散熱,從而在被動式冷卻方案下能夠實現大于30%的電光轉換效率。由于QCW光纖激光器與其它激光系統相比,可提供十倍的WPE增量,所以也不難理解為何近幾年來這類激光器的接受度得到迅速擴張。

顯著降低的電力費用,再加上沒有消耗品,沒有零配件以及低維護需求,沒有預熱時間要求,最終帶來相當大的成本優化。

典型規格和加工能力

QCW光纖激光器在微秒至毫秒的脈寬下提供數焦耳到數十焦耳的脈沖能量。它們還在高達50KHz的脈沖重復頻率下提供高出幾倍的最大平均功率(從150W到超過2kW)。此外,QCW激光器還能夠在CW/調制模式下工作,占空比高達100%。

例如,一臺20kW峰值功率的QCW光纖激光器可以在CW或脈沖模式下以2kW功率運行,并且在100Hz的重復頻率下產生200焦耳的脈沖能量,1kHz下產生20焦耳脈沖,或在5kHz的重復頻率下產生4焦耳的脈沖能量。

由于其較高的平均功率和脈沖重復頻率,QCW光纖激光器顯著提高了加工速度以及生產效率。例如,當在航空部件上切割稀釋孔或窗口時,根據零件結構和材料厚度,大多數激光器的切割進給速率為5至10IPM。然而,當使用QCW光纖激光器切割同一部件上的相同孔洞時,其進給速率則能達到20-30IPM,甚至更高。

操作模式,脈沖調制和整形

QCW光纖激光器的優點之一是能夠快速增加和降低功率水平,并且可以在線從脈沖模式切換到連續運行模式。鑒于光纖諧振器中沒有熱透鏡以及泵浦二極管的快速響應,這是可以實現的,但如果使用閃光燈泵浦激光器便無法做到這一點。

單個QCW光纖激光脈沖可以使用模擬控制或內部脈沖發生器進行調制,以實現任何特定應用所需的最佳時間脈沖形狀。操作員還可以使用定制的重復頻率和功率調制對所需的脈沖序列進行預編程。

當處理復雜零件(例如銳角和窄孔)或是高反及敏感材料時,操作員可以實時控制脈寬、占空比、頻率、脈沖能量和平均功率。QCW激光器為整形脈沖的產生提供了卓越的脈沖整形功能,其調制能力超越其它技術。

水冷機保養

大多數的非光纖激光器必須使用大型水冷機進行水冷,這需要定期進行日常維護。去離子(DI)濾芯、顆粒過濾器以及去離子水必須定期更換(通常每六個月更換一次),以防止水污染。如果冷卻水的質量無法得到保障和維持,激光效率便會降低,并且光學元件也可能被損壞。

因而,公司必須儲存閃光燈、去離子濾芯、顆粒過濾器和去離子水,并且安排定期的停機時間來保養激光器。然而,光纖激光器消除了這些消耗和維護問題;無需更換光學部件或閃光燈,同時與這些問題息息相關的保養和停機等事宜也一并得到消除。

許多光纖激光器采用空氣冷卻方式, 不需要水冷機。QCW光纖激光器高達4.5kW的峰值功率可以提供空氣冷卻,無需水冷機。

正常運行時間和可重復性

采用傳統技術的激光器通常需要一段預熱時間來穩定諧振器,并確保正確的激光功率持續被傳送給工件。

不進行加工時,這些激光器通常在待機模式下運行,只有燈泵浦持續閃爍工作以確保諧振器的穩定性能。在這種情況下,即使激光器沒有用于生產部件,但閃光燈的壽命和使用期限始終在流逝。

相較之下,光纖激光器由固體二極管進行泵浦,因此當激光器不使用時可以完全關閉,并且能夠在無需預熱時間的情況下即可獲得正確的激光功率。由于光纖激光器只有在工藝準備就緒時才被打開,因此可實現更高的正常運行時間,電效率以及產量。

光束波形的靈活性

根據具體的應用,QCW光纖激光器可選擇單模或多模輸出方式。為了切割非常薄的材料或需要小光斑尺寸的應用,單模將成為合適的選擇。然而,大部分的大功率應用都會使用平頂光或多模模式(參見圖2)。

圖2:單模光纖激光束形狀(上圖)多模平頂光束形狀(下圖)

航空航天產業已經證明,采用光纖激光器鉆出的孔能夠實現一致的流動特性。這得益于激光輸出以及平頂光束波形的重復性均得到改進所致。使用QCW光纖激光器,在平頂光束形狀下,鉆出的孔的錐度較小。

無論是沖擊鉆孔還是環切鉆孔,平頂光束形狀通常會導致較小的錐度。相比較沖擊鉆孔,環切鉆孔的額外優勢是重鑄層較小。光纖激光器不使用熱透鏡,光斑尺寸保持恒定,不隨功率的增加或減小變化。

單模高功率密度、高脈沖能量、高峰值功率和高重復頻率等優勢的結合能夠使包括金屬、硅、氧化鋁,藍寶石和玻璃等在內的門類廣泛的材料實現高產能的激光微加工。

空間需求

光纖激光技術能夠在非常小的封裝中實現非常高的功率。這對大多數公司來說是很有吸引力的,因為激光器的占地面積減少繼而導致既定的激光工藝所需的整體集成系統占用空間的減少。全球企業似乎一直在尋找能夠在更少的空間內充塞更多東西的方法,而光纖激光器的低占用空間可實現這一點。

操作光纖

不只是光纖激光器的諧振器具有長而連續的光纖,光束也通過操作光纖被傳送到工件。無需校準、維護和更換自由空間光學元件或鏡片。操作光纖配有快速斷開的接頭,如果需要更換光纖,也不需要進行光束校準。

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