上一期，我們向大家介紹了Rofin在CO2激光器、固體激光器以及光纖激光器光源上所取得的長(zhǎng)足發(fā)展，本期我們將聚焦激光解決方案及具體應(yīng)用領(lǐng)域，帶您系統(tǒng)了解Rofin在激光加工領(lǐng)域所積累的經(jīng)驗(yàn)與優(yōu)勢(shì)，以便您更好的選擇適合自己應(yīng)用的激光產(chǎn)品。
從光源到解決方案—今天的工業(yè)實(shí)踐
四十多年來(lái)，激光器已經(jīng)成功地用于各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其中切割和焊接是最主要應(yīng)用。另外也有淬火、熔覆及表面處理等其他重要的應(yīng)用。下面我們將主要介紹切割和焊接應(yīng)用的方案。
早在1967 年，TWI 就展示了激光切割?，F(xiàn)在激光切割仍然主導(dǎo)著金屬板材切割、管道和輪廓切割、汽車(chē)車(chē)身部件的三維切割等宏觀應(yīng)用；此外激光還用于切割非金屬材料，如安全氣囊、塑料顯示器、砂紙、模具模板等。
圖1：汽車(chē)安全氣囊的激光切割
CO2 激光器是切割應(yīng)用的理想激光源之一：高光束質(zhì)量（3.5~8 mm•mrad）下的高連續(xù)（CW）功率，能在高于1 kHz 的頻率下產(chǎn)生脈動(dòng)，比燈泵浦固態(tài)激光器的效率高三倍，可靠性更高。最初，快速軸流激光器是首選，因?yàn)槠湎啾扔跈M流激光器能提供更加對(duì)稱(chēng)和更好的光束質(zhì)量，但是這兩種類(lèi)型的激光器在市場(chǎng)上都依然存在。CO2 板條激光器的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)自于其光束質(zhì)量：對(duì)于較薄和中板厚度的板材，它們能比低光束質(zhì)量的激光器獲得更高的切削速度。
當(dāng)光纖輸出的高功率Nd ：YAG 激光器出現(xiàn)以后，這些切割應(yīng)用便能通過(guò)波長(zhǎng)為1 μm 的激光器與機(jī)器人結(jié)合得以實(shí)現(xiàn)。最初使用的是高平均功率的脈沖燈泵浦Nd ：YAG 激光器，后來(lái)使用的是連續(xù)燈泵浦Nd ：YAG激光器。一直以來(lái)人們都希望基于半導(dǎo)體泵浦的Nd ：YAG 棒激光器能實(shí)現(xiàn)一大突破：在設(shè)計(jì)上達(dá)到與CO2激光器相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換率（通常為10%）。通過(guò)采用300μm的先進(jìn)光纖和12mm mrad的光束質(zhì)量，該款激光器所具有的優(yōu)質(zhì)切割質(zhì)量和高效的切割速度對(duì)多種應(yīng)用具備吸引力。
最新開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體泵浦光纖激光器和碟片激光器具有約30%的典型電光轉(zhuǎn)換效率，其光束質(zhì)量通常與基模狀態(tài)下的CO2 激光器相當(dāng)，甚至更好。光纖激光器是目前最先進(jìn)的切割光源，其通過(guò)“全光纖”方式生成光束并將其傳輸?shù)郊す馇懈铑^。
當(dāng)考慮使用這些激光器來(lái)切割金屬板材時(shí)，一些意想不到的看法，引起了對(duì)切割工藝調(diào)查的興趣：
● 對(duì)于一般的金屬板材切割應(yīng)用，單模光束質(zhì)量并沒(méi)有被使用。
● 薄片可以非常有效地切割，沒(méi)有CO2 激光器典型的等離子體作用
● 鋁能被快速可靠地切割，但是板條CO2 激光器能獲得更好的切割質(zhì)量
● 中等厚度和大厚度的不銹鋼板材，不能獲得CO2 激光切割實(shí)現(xiàn)的典型切割質(zhì)量
● 光學(xué)元件的任何污染都將嚴(yán)重影響切割結(jié)果——操作者和系統(tǒng)制造商需要滿(mǎn)足潔凈需求
● 對(duì)安全防護(hù)罩的更高需求，增加了系統(tǒng)成本
由于快速、精確的激光功率切割系統(tǒng)控制，受益于CNC 針對(duì)部件加工而控制開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，這使得市場(chǎng)能夠及時(shí)提供切割樣品。
如今，平板（飛行光路）系統(tǒng)、激光打孔兩用系統(tǒng)、管材和型材切割系統(tǒng)、5 軸3D 切割系統(tǒng)和基于機(jī)器人解決方案，都是可靠的工業(yè)生產(chǎn)工具，它們可以配備CO2激光器或光纖激光器。
圖2：管材的3D切割
激光焊接解決方案需要考慮到部件準(zhǔn)備、機(jī)械接合、夾緊等因素，激光焊接在根本上是不同于激光切割的。
因此，更多的系統(tǒng)制造商針對(duì)他們的特定市場(chǎng)提供特殊的解決方案。
在汽車(chē)行業(yè)的率先應(yīng)用
● 1973 年——福特采用配備3 kW CO2 激光器的車(chē)身底部焊接系統(tǒng)
● 1976 年——菲亞特開(kāi)發(fā)用激光焊接同步齒輪
● 1979 年——通用用CO2 激光器焊接不銹鋼
● 1980 年——豐田和本田使用富士配備CO2 激光器的3軸系統(tǒng)用于沖模更換
● 1983 年——蒂森鋼鐵用1 kW 的CO2 激光器焊接兩塊鍍鋅鋼板。這是首個(gè)“拼焊板”。
● 1984 年——福特（Saline）采用500 W CO2 激光器修剪塑料儀表板
● 1986 年——寶馬使用配備CO2 激光器的5 軸龍門(mén)架焊接車(chē)頂
八十年代后期應(yīng)用激光焊接的進(jìn)一步例子是汽車(chē)行業(yè)中的氣門(mén)挺桿、燃油過(guò)濾器、減震器及齒輪的焊接。在九十年代早期，開(kāi)始是通過(guò)CO2 激光器結(jié)合鉸鏈?zhǔn)椒瓷溏R臂和機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了車(chē)頂焊接；后來(lái)通過(guò)使用柔性光纖和燈泵浦Nd ：YAG 激光器實(shí)現(xiàn)車(chē)頂焊接。
圖3：4Kw 光纖激光器正在對(duì)汽車(chē)部件進(jìn)行掃描焊接
隨著激光源實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性、更高的效率和更好的光束質(zhì)量，以及新技術(shù)的涌現(xiàn)，使得激光加工市場(chǎng)拓展到了更廣泛的新領(lǐng)域，如：
● 差距、車(chē)軸（填絲，感應(yīng)前，后熱處理）
● 金剛石鋸片
● 拼焊板，一維，二維，刀具硬化（鋁硅涂層的燒蝕）
● 激光焊接管材，主要由板條CO2 激光器連續(xù)焊接
● 熱交換器（夾緊技術(shù)）
● 鋁合金焊接：燃油濾清器、汽車(chē)車(chē)身、混合激光焊接（光束質(zhì)量好，功率穩(wěn)定）
● 機(jī)身部分的鋁合金焊接（空中客車(chē)，板條CO2 激光器）
● 復(fù)合金屬板設(shè)計(jì)，采用激光焊接，如排氣部件（自動(dòng)化）
● 噴油嘴焊接（光束質(zhì)量）
● 基于掃描儀的焊接技術(shù)（光束質(zhì)量）
—遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)（座椅結(jié)構(gòu)，板條CO2 激光器）
—遠(yuǎn)程飛行掃描焊接（白車(chē)身焊接，光纖/ 碟片激光器）
—熱交換器的掃描焊接
大多數(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)CO2 激光器或光纖激光器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。今天的CO2 激光焊接過(guò)程，具有更少的飛濺產(chǎn)生，這使得它們成為動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用或是管道焊接應(yīng)用的首選。光纖激光器的效率、波長(zhǎng)和最少的維護(hù)需求，加之靈活的光纖傳輸，使得光纖激光器是一種經(jīng)濟(jì)的工具選擇。
工業(yè)激光器的未來(lái)
如今，面向宏觀應(yīng)用的激光技術(shù)已獲得了良好的發(fā)展，并日趨成熟，比起變革，更多的將是根據(jù)市場(chǎng)的需求進(jìn)行性能上的改進(jìn)。有專(zhuān)家預(yù)計(jì)新一代高效率的半導(dǎo)體激光器，可以具備更高功率的光束，以用于一般的切割。由于新一代光纖激光器在效率、成本、適用性、和可靠性方面已經(jīng)設(shè)立了較高的標(biāo)桿，因此對(duì)于新一代半導(dǎo)體激光器而言，在這些方面具備更明顯的優(yōu)勢(shì)是其面臨的一大挑戰(zhàn)。成熟應(yīng)用市場(chǎng)還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，并向新領(lǐng)域不斷拓寬，尤其是焊接領(lǐng)域，以及激光增材制造、遠(yuǎn)程切割等新應(yīng)用領(lǐng)域。
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