文/Dahv A. V. Kliner、Jake Bell、Lynn Sheehan; nLight公司

 

 

高反射材料的激光加工在目前的制造环境和市场应用中至关重要，然而很多类型的激光技术都由于对回返光的固有敏感而受到影响，导致在加工过程中出现运行不稳定和破坏性自动关机现象，甚至还会对激光器造成永久性损害。恩耐激光新一代光纤激光器采用高性能元件和创新型架构应对这些限制，从而实现对高反射材料的不间断处理。

 

       图1：nLIGHT alta^TM工业光纤激光器。

 

大部分千瓦级光纤激光器采用的是“以熔融光纤耦合器合束多路低功率光纤激光器输出”为基础的架构，这种方法在技术和经济性上都存在不足之处。更重要的是，光纤激光器和耦合器模块，可能由于材料处理期间发生的回返现象而易于出现不稳定或损坏现象。 

 

nLIGHT alta^TM光纤激光器（见图1）采用的是一种新型架构，其通过将泵浦二极管和驱动器合并在独立的泵浦模块中，以及将增益光纤安装在可配置的增益模块中，可实现>4kW的输出激光，并解决了以往架构中所存在的一些问题。

 

图2：nLIGHT alta^TM激光器的设计在激光器与传输光纤之间集成了一个返射隔离器。

 

 此增益模块中含有一个可靠的、可集成的回返光隔离器，可以保护所有模块免受工件反射光的影响，进而做到稳定、不间断加工高反射材料。这个部件已经通过寿命测试，并在客户实际生产环境中得到了验证。使用恩耐光纤激光器的用户，都已成功具备了处理包括铜、金、银和高度抛光金属等各种高反射材料的能力。在谈及这些结果时， 客户称这是他们首次体验了满功率、不间断地加工高反射材料，并且丝毫未对设备造成暂停或损害。

 

回返隔离

因为工件表面的不规则、与表面法线对齐不精确以及处理光学元件采光角度的限制，典型的回返激光通常只占激光器功率的一小部分。此外，回返现象通常持续时间很短，例如打孔这样的应用。但是，部分光纤激光器的设计会难以处理甚至无法处理反射材料。回返造成的损伤，通常是由于光功率在聚合物材料上的能量堆积而导致过热或燃烧引起的。nLIGHT alta^TM光纤激光器会剥除耦合到馈送光纤的回返光，并将其引导到水冷光束吸收器，激光在此被转换为热量，不涉及任何聚合物，从而消除了主要的损坏原因。无聚合物的隔离器，旨在连续吸收消除>500W的回返激光，如图3寿命测试所示。

 

 

图3：在>500W连续消除回反光的条件下，数千小时的连续稳定性压力测试中并无任何运行不稳定的迹象；以3kW nLIGHT alta^TM光纤激光器快速连续执行4000次打孔的客户测试，无处理中断或打孔失败。

 

 

我们评估了隔离系统在打孔应用中的性能，其中最高回返信号发生在激光切割期间。在测试中，成功处理了4000 例铜材料连续打孔，没有中断或打孔失败的情况。与我们的回返隔离器所提供的基于硬件的稳定保护相反，部分光纤激光器采用了在出现回返时会导致激光器无法使用的软件保护。软件方法可以保护激光器，但是也妨碍了连续的材料加工。

 

通过光电探测器可监测被吸收在隔离器中的回返光。此传感器的实时输出可供用户用于生产监测、优化和控制，例如打孔监测或包括光束位置和焦点等的工具校准。

 

图4：在进行不锈钢、铝和铜金属板打孔时从工件返射的激光信号示例。

 

高反射切割结果

金属板材切割是千瓦级光纤激光器的最大市场。汽车、航空航天、电子工业（例如轻质材料与锂离子电池电芯等）的应用正逐渐转向采用包括不锈钢/镜面不锈钢、铝、黄铜、铜、银和金等在内的高反射材料。

 

很多这些材料由于其打孔时产生的高反射现象，在加工时，都极具挑战性。然而，采用恩耐新型光纤激光器后，尚未发现不稳定或故障现象。目前，采用3kW光纤激光器的最大切割厚度为12mm（不锈钢、铝、黄铜）和10mm（铜）。切割速度与切割质量等同或优于其他光纤激光器能达到的程度，且不断进行工艺优化，增加切割厚度、提高切割速度并改善边缘质量（见图5）。

   

图5：不锈钢、铝、黄铜、紫铜的切割边缘。

 

高反射焊接结果

nLIGHT alta^TM光纤激光器也已经成功应用于低碳钢、不锈钢、铝、黄铜和铜材料的焊接。焊接通常会产生比切割程度更高或持续时间更长的回返现象，然而即使以法线入射焊接，也没有出现激光器不稳定或损坏的情况。图6所示为铜焊接示例，这是非常有难度的应用，该应用已经导致其他光纤激光器的严重损坏。

 

图6：510系列铜焊接缝(a)及其横截面(b)，以及纯101系列铜焊接缝(c)与焊接后的采样部分(d)。

 

图7所示为恩耐nLIGHT alta^TM光纤激光器与某传统光纤激光器进行黄铜焊接后的截面比较， 前者卓越的焊接质量显而易见。

 

 

图7：nLIGHT alta 3kW光纤激光器(a)和传统3kW光纤激光器(b)进行黄铜焊接后的打磨横截面表面(a)的超卓焊接质量。(b)中沿着焊缝可见焊接缺陷（气孔）。

 

传统光纤激光器本身存在的局限性以及强制停机等问题，都导致无法有效处理高反射材料。而恩耐新一代光纤激光器架构，为千瓦级激光器材料处理、尤其是高反射材料的处理带来了一场新革命。nLIGHT alta ^TM回返隔离器完全集成到了激光器架构中，而其它解决方案试图在处理光纤或有自由空间的光学部件上集成保护装置，或者在有损坏风险时强制关闭激光器；这些方法并未从根本上解决机器损坏问题，反而减少了设备使用寿命，也限制了处理高反射材料的能力。nLIGHT alta^TM光纤激光器已经被部署在了全球各地极具挑战的工厂环境中，并且已经在各种应用中展现了无与伦比的高性能、高稳定性和超长开机时间、以及不间断地加工处理各种高反射材料的优势。