2004年8月，SLV Meckl enburg- Vorpommern GmbH 生產(chǎn)了首臺(tái)10千瓦光纖激光器，這標(biāo)志著光纖激光器的效率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越。在隨后的十年里，人們針對(duì)激光在各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。我們將通過(guò)幾個(gè)實(shí)例，分析10千瓦光纖激光器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，并以此作為激光器推廣應(yīng)用的參考。
1. 高功率光纖激光器——效率的大跨步
近年來(lái)，人們已經(jīng)研制出了可用于高功率激光設(shè)備的5千瓦Nd:YAG激光源，然而，由于電光轉(zhuǎn)換效率僅有6%，且機(jī)身龐大，所以無(wú)論是單純的泵浦光源，還是二極管泵浦Nd:YAG激光源，仍不能完勝固態(tài)激光源。隨著光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提高，光纖激光器開(kāi)始向著原來(lái)只能使用CO2激光源的應(yīng)用領(lǐng)域推進(jìn)。在過(guò)去的三年里，工業(yè)領(lǐng)域使用的多種激光源中，光纖激光器的重要性已經(jīng)開(kāi)始日益凸顯。
2002年5月，IPG光子公司推出了首款輸出功率達(dá)到1千瓦的光纖激光器。同年11月份，輸出功率已提升至4千瓦。2003年3月，10千瓦光纖激光器問(wèn)世。至此，IPG已經(jīng)先后推出24款帶有不同輸出功率的光纖激光器，用戶(hù)遍及美國(guó)、歐洲和亞洲[1]。
波長(zhǎng)為1070nm的摻鐿光纖激光器以其外形小巧，光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)25%，以及極佳的光束質(zhì)量而備受矚目。其主要作用原理是在激光諧振腔內(nèi)，通過(guò)多種光能反饋，生成、引導(dǎo)并操作激光光束。光纖激光器由摻入特定稀土離子（如鐿、鉺、釹、銩等）的玻璃光纖所形成的雙包層線圈構(gòu)成。泵浦二極管通過(guò)多模纖維形成的雙包層線圈，將能量注入有源光纖。有源光纖內(nèi)部直接生成激光諧振腔，能量得到增益后通過(guò)一根無(wú)源單模光纖輸出。將多個(gè)單模光纖同步輸出，我們就可以得到一臺(tái)功率翻倍的千瓦級(jí)光纖激光器。由于使用的是光纖到光纖的整體設(shè)計(jì)，所以完全不需要調(diào)整或?qū)R反射鏡及其他光學(xué)元件（如圖1所示）[2]
圖1：光纖激光器的原理（左圖），380W模塊及一臺(tái)光纖激光器內(nèi)部的模塊組合
與其他具有類(lèi)似輸出功率的激光系統(tǒng)相比，光纖激光器，再加上預(yù)計(jì)100.000小時(shí)不間斷操作使用壽命的二極管的維護(hù)成本顯然更低。此外，由于光纖激光器的設(shè)計(jì)緊湊，操作簡(jiǎn)便，可接入的光纖最長(zhǎng)可達(dá)200米，因此特別適用于那些需要高功率、靈活傳輸及高遷移性激光源的領(lǐng)域。
2004年8月，全球首臺(tái)10千瓦光纖激光器在德國(guó)羅斯托克市的SLV Meckl enburg-Vorpommern GmbH公司誕生（如圖2所示）。除了可以進(jìn)行試驗(yàn)室焊接、切割和表面拋光試驗(yàn)外，客戶(hù)也可以自行對(duì)其進(jìn)行研究和拓展。Precitec公司已經(jīng)推出了一系列焊接和表面拋光用的光學(xué)頭及切割頭。如果是激光-電弧復(fù)合焊，還可以調(diào)整焊接頭，使其適合復(fù)合焊系統(tǒng)。除了上述靜態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的光學(xué)加工頭之外，Mobil Laser Tec公司還研制了一種新型激光頭，用于手動(dòng)引導(dǎo)焊接及切割。
圖2：SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司生產(chǎn)的10千瓦光纖激光器
圖2：SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司生產(chǎn)的10千瓦光纖激光器
2. 移動(dòng)激光發(fā)射基站
自從第一臺(tái)10千瓦乃至更高輸出功率的光纖激光機(jī)問(wèn)世以來(lái)，SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意識(shí)到，這種激光源配合移動(dòng)概念，必能發(fā)揮更大的作用，完全可以非常靈活地響應(yīng)客戶(hù)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求。在一個(gè)名為“DOCKLASER”的歐洲項(xiàng)目中，工作人員圍繞IPG YLR 10000光纖激光器設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)移動(dòng)激光發(fā)射基站（如圖3所示）。這個(gè)激光發(fā)射基站配備了冷卻設(shè)備，還預(yù)留了一些用于安放外圍設(shè)備的空間。這樣一個(gè)激光發(fā)射基站，只需要用普通平板貨車(chē)就能實(shí)現(xiàn)輕松運(yùn)輸。而該項(xiàng)目之前使用的是來(lái)自Trumpf的4.5千瓦Nd:YAG激光器HL2006，體積是目前的三倍之大，所以必須要用到拖車(chē)。
圖3：配備10千瓦光纖激光機(jī)及冷卻單元的移動(dòng)激光發(fā)射基站
圖3：配備10千瓦光纖激光機(jī)及冷卻單元的移動(dòng)激光發(fā)射基站
2.1 長(zhǎng)距離直縫焊的牽引
為了實(shí)現(xiàn)在垂直或水平方向利用激光-GMA復(fù)合焊工藝進(jìn)行長(zhǎng)距離直縫焊，焊接設(shè)備生產(chǎn)商奧地利Fronius公司設(shè)計(jì)并制造了一種牽引裝置。該裝置配有一臺(tái)激光-GMA復(fù)合焊光學(xué)頭，一個(gè)送絲單元，以及3個(gè)直縫焊激光傳感器MTH20，以便對(duì)焊縫形態(tài)進(jìn)行追蹤。GMA焊接單元TPS9000最大輸出功率為900A，占空比60%。牽引裝置與移動(dòng)激光發(fā)射基站基站、焊接單元及傳感器控制單元之間可以借助獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。用戶(hù)通過(guò)示教器控制整個(gè)系統(tǒng)。該牽引裝置的實(shí)地試驗(yàn)設(shè)在JLM Papenburg造船廠（如圖4所示）。
圖4：位于Papenburg的Meyer造船廠的激光-GMA復(fù)合焊牽引系統(tǒng)
圖4：位于Papenburg的Meyer造船廠的激光-GMA復(fù)合焊牽引系統(tǒng)
2.2 用于三維焊接的機(jī)器人
2006年夏季，來(lái)自 SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司的一款配有FUNUC機(jī)器人和傾角定位器的機(jī)器人單元投入使用。該機(jī)器人單元為激光器在三維空間內(nèi)的應(yīng)用帶來(lái)了了新的解決方案。系統(tǒng)中安裝了離線程序，可根據(jù)要求采用純激光縫焊、激光-GMA復(fù)合焊、激光切割或激光鍍層。
圖5：激光-GMA復(fù)合焊，10千瓦光纖激光器（SLV M-V）
圖5：激光-GMA復(fù)合焊，10千瓦光纖激光器（SLV M-V）
2.3 高功率光纖激光器的激光-GMA復(fù)合焊
船舶制造業(yè)會(huì)大量使用鋼板以及其它厚度介于3-35毫米的型材，當(dāng)然也包括管道傳輸、大型容器、起重設(shè)備等，常常需要進(jìn)行長(zhǎng)距離直縫焊。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)型氣體金屬電弧焊及埋弧焊工藝流程加工速度較慢，結(jié)果導(dǎo)致大量熱能注入母材，而且焊接時(shí)間長(zhǎng)，還會(huì)造成金屬受熱變形后返工矯形，使生產(chǎn)成本提高。
雖然激光-GMA復(fù)合焊加工速度快，熱效能高，但是這一工藝的應(yīng)用始終未能形成規(guī)模，究其原因，主要是當(dāng)材料厚度超過(guò)15毫米時(shí)，就只能使用CO2激光源了。加工對(duì)接接頭和T形接頭時(shí)，CO2激光焊接機(jī)必須集成反射系統(tǒng)，才能將光束傳輸至工件表面，所以機(jī)器又大又重。而且由于傳輸路徑長(zhǎng)，光束參數(shù)也容易出現(xiàn)波動(dòng)。另外，已有的CO2激光源的焊接系統(tǒng)無(wú)法再被改造，更不要說(shuō)在此基礎(chǔ)上再添加一個(gè)移動(dòng)發(fā)射裝置了。盡管如此，如果需要輸出功率高，傳輸性能好的緊湊型光纖激光源，暫時(shí)也只能這樣選擇。
所以，當(dāng)光纖激光器出現(xiàn)后，SLV Meckl enburg-Western Pomerania公司就針對(duì)國(guó)內(nèi)外多種型材進(jìn)行了大量的檢測(cè)和靈活性研究。研究人員針對(duì)激光-GMA復(fù)合焊工藝，特別設(shè)計(jì)了一種焊接頭。這種光學(xué)加工頭不僅可以用于搭載光纖激光器的機(jī)器人系統(tǒng)，也可以用于搭載12千瓦 CO2激光器的Trumpf TLC系統(tǒng)。SLV實(shí)驗(yàn)室對(duì)兩者都進(jìn)行了安裝。
2.3.1 用激光-GMA復(fù)合焊工藝加工對(duì)接接頭
第一項(xiàng)試驗(yàn)是典型結(jié)構(gòu)鋼的堆焊試驗(yàn)，該試驗(yàn)主要是為隨后的試驗(yàn)積累基礎(chǔ)參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為125毫米準(zhǔn)直鏡，250毫米聚焦鏡，光波導(dǎo)， 200μm芯徑， 90/10比例的氬-CO2的保護(hù)氣體對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行保護(hù)，焦點(diǎn)位置設(shè)置為-2毫米，焊槍傾角25度。1.2毫米G3Si1焊絲，送絲速度為12米/分鐘?；『概c激光縫焊之間的間隙為2.5毫米。數(shù)據(jù)顯示，焊接速度為1米/ 分鐘時(shí)，焊透深度為13毫米；當(dāng)焊接速度提高至4米/分鐘時(shí)，焊透深度仍可達(dá)到8.1毫米（如圖6所示）。
圖6：激光+GMA復(fù)合焊的焊透深度圖示（結(jié)構(gòu)鋼， 10千瓦激光器，焦點(diǎn)位置為-2mm）
圖6：激光+GMA復(fù)合焊的焊透深度圖示（結(jié)構(gòu)鋼， 10千瓦激光器，焦點(diǎn)位置為-2mm）
在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，研究人員又進(jìn)行了造船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼HSLA65和底漆涂覆結(jié)構(gòu)鋼GLA\GLD36的對(duì)接接頭焊接。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為HSLA65板，厚度8毫米，單面焊， 10千瓦激光器，焊接速度3.5米/分鐘，焦點(diǎn)位置-2毫米；然后調(diào)整厚度至16毫米，雙面焊，兩面焊接速度均為3.5米/分鐘，輸出功率10千瓦，焦點(diǎn)位置-2毫米。HSLA65經(jīng)過(guò)坡口加工，以確保無(wú)間隙（如圖7所示）。
在GLA板的試驗(yàn)中，選擇厚度為9毫米底漆涂覆GLA板，10千瓦輸出功率，焊接速度2米/分鐘，焦點(diǎn)位置+3毫米。單位長(zhǎng)度的能量平均達(dá)到7千焦/厘米。在厚度為8毫米底漆涂覆板GLD36的試驗(yàn)中，根據(jù)客戶(hù)要求，限定激光功率不超過(guò)5千瓦，經(jīng)7度坡口加工（包括坡口角度），輸出功率3.2千瓦，送絲速度13米/分鐘，焊接速度1.1米/分鐘，單位長(zhǎng)度的平均能量達(dá)到6.5千焦/厘米（如圖8所示）。最大硬度值為260 HV5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光焊接接頭的臨界值。GLA板和GLD36均為激光切割，間隙為0mm。
圖7：結(jié)構(gòu)鋼HSLA65的對(duì)接接頭焊接圖示，左側(cè)為8毫米單面焊，右側(cè)為16毫米雙面焊
圖8： 9毫米底漆涂覆GLA板的對(duì)接接頭（左側(cè)）與8毫米底漆涂覆GLD36 板的對(duì)接接頭（右側(cè)）
圖7：結(jié)構(gòu)鋼HSLA65的對(duì)接接頭焊接圖示，左側(cè)為8毫米單面焊，右側(cè)為16毫米雙面焊
圖8： 9毫米底漆涂覆GLA板的對(duì)接接頭（左側(cè)）與8毫米底漆涂覆GLD36 板的對(duì)接接頭（右側(cè)）
在長(zhǎng)達(dá)6米的操作架上，用激光-GMA復(fù)合焊工藝對(duì)經(jīng)過(guò)底漆涂覆及激光切割的GLD36板進(jìn)行單面焊，兩次試驗(yàn)?zāi)覆暮穸确謩e為3毫米和5毫米。（如圖9所示）。厚度為3毫米時(shí)，激光器輸出功率3千瓦，送絲速度9米/分鐘，焊接速度2米/分鐘，單位長(zhǎng)度的能量均值達(dá)到3千焦/厘米；厚度增加至5毫米時(shí)，激光器輸出功率5千瓦，送絲速度10米/分鐘，焊接速度1.7米/分鐘，單位長(zhǎng)度的能量為4.4千焦/厘米（如圖10所示）。造影檢查、抗彎測(cè)試以及抗拉測(cè)試結(jié)果均符合要求。最大硬度值為270 HV5。
2006年春季，，一座配備了IPG6千瓦光纖激光器YLR 6000的激光-GMA單面復(fù)合焊工作站在芬蘭港口城市圖爾庫(kù)的Aker Finnyards公司開(kāi)始正式投入使用（如圖11所示）。LV Meckl enburg-Western Pommerania GmbH公司為該復(fù)合焊設(shè)備提供焊接頭和安全保障。
圖9：激光-GMA復(fù)合焊接設(shè)備（10千瓦光纖激光機(jī)）配備的單面焊輔助操作架
圖10： GLD36板接頭截面圖，左側(cè)為厚度3毫米，右側(cè)為厚度5毫米
圖11：圖爾庫(kù)市Aker Finnyards公司的激光-GMA復(fù)合焊設(shè)備（6千瓦光纖激光機(jī)）所配備的單面焊操作架
圖9：激光-GMA復(fù)合焊接設(shè)備（10千瓦光纖激光機(jī)）配備的單面焊輔助操作架
圖10： GLD36板接頭截面圖，左側(cè)為厚度3毫米，右側(cè)為厚度5毫米
圖11：圖爾庫(kù)市Aker Finnyards公司的激光-GMA復(fù)合焊設(shè)備（6千瓦光纖激光機(jī)）所配備的單面焊操作架
2.3.2 用激光-GMA復(fù)合焊工藝加工T形接頭
船舶制造業(yè)主要的結(jié)合工作是角縫焊。如果用激光-GMA工藝對(duì)焊接接頭進(jìn)行單邊或雙邊焊透，就形成了我們所說(shuō)的T形接頭。
簡(jiǎn)言之，在船舶制造業(yè)，激光-GMA復(fù)合焊最主要的應(yīng)用就是接頭焊接。
在“DOCKLASER”項(xiàng)目中，客戶(hù)列出了下列要求：
? 常規(guī)焊接長(zhǎng)度的焊接
? 底漆涂覆型材的焊接
? 點(diǎn)焊
? 腹板坡口加工等離子切割或熱軋卷板
? 1毫米間隙焊
在試驗(yàn)之初，研究人員就已經(jīng)非常清楚，必須先去除焊接間隙中間的底漆，露出金屬部分。如果沒(méi)有這道工序，焊縫上很可能會(huì)出現(xiàn)由于排氣不完全所造成的氣孔。在焊接速度高、熔池凝固快時(shí)尤其如此。如果是在面板上焊接球扁鋼，也應(yīng)先清理涂層；但如果是等離子切割坡口，則側(cè)面的底漆可以保留。間隙焊其實(shí)可以達(dá)到2毫米，但是考慮到焊接速度的損失，不建議使用。等離子切割坡口完全可以再次焊接，而且輕微的V形凹槽甚至有助于焊接速度、焊透深度及焊接性能。
試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫質(zhì)量相當(dāng)出色，而且具有良好的重復(fù)性。下一步就是利用過(guò)程統(tǒng)計(jì)模型，找到最佳的結(jié)果。這些統(tǒng)計(jì)的最佳參數(shù)在后來(lái)的耐久測(cè)試中再一次得到證實(shí)?；谶@些數(shù)據(jù)，研究人員又在相關(guān)造船廠進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（如圖12所示）。在那里，他們甚至操作了長(zhǎng)達(dá)10米的直縫焊，遇到的唯一問(wèn)題就是未定義牽引系統(tǒng)的傳輸軌道，而這一點(diǎn)也無(wú)法通過(guò)焊縫跟蹤系統(tǒng)彌補(bǔ)。解決方案是對(duì)復(fù)合焊接頭進(jìn)行引導(dǎo)，再配合使用操作架， 這樣就可以定義傳輸軌道了。
圖12：在西班牙Nav antia造船廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)使用的牽引系統(tǒng)
圖12：在西班牙Nav antia造船廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)使用的牽引系統(tǒng)
腹板厚度為10毫米時(shí)，10千瓦激光器可單面焊透，焊接速度1.6米/分鐘，送絲速度12.5米/分鐘，單位長(zhǎng)度的能量達(dá)到7千焦/厘米（如圖13所示）。如果通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)正確調(diào)整激光光束的傾斜角度，還可進(jìn)一步提高腹板厚度至12毫米。
圖13：激光-GMA復(fù)合焊，腹板厚度10毫米，焊接速度1.6米/分鐘
圖13：激光-GMA復(fù)合焊，腹板厚度10毫米，焊接速度1.6米/分鐘
2.3.3 用激光-GMA 復(fù)合焊工藝加工三明治板接頭
利用激光-GMA 復(fù)合焊工藝焊接三明治板是一項(xiàng)較為特殊的應(yīng)用。三明治板所用的鋼板厚度通常介于 2.5 至 3 毫米。一個(gè)長(zhǎng)為 10米的三明治板，內(nèi)部有 4X40 毫米的腹板，從而形成所謂的 I 形支撐點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)間隙為 120 毫米，通過(guò) CO2 -激光器樁焊。
為了將多個(gè)三明治結(jié)構(gòu)連成整板，我們需要用方形管連接各個(gè)部分，同時(shí)將其用作焊縫背墊（如圖 14 所示）。在“DOCKLASER ”項(xiàng)目中，工作人員用輸出功率為 4 千瓦的激光焊接機(jī)處理類(lèi)似接頭，焊接速度為 2.5 米/分鐘（如圖 15 所示）。雖然通常輸出功率可以更高，但是由于板與板之間有 2 毫米的技術(shù)間隙，在焊接過(guò)程中需要通過(guò) GMA 工藝進(jìn)行間隙焊，所以整體焊接速度會(huì)受到限制。
如果在預(yù)加工過(guò)程中運(yùn)用技術(shù)手段，降低間隙寬度，焊接速度則可以提高至 9 米/分鐘。預(yù)加工中需要注意的一個(gè)主要問(wèn)題是上板間隙寬度和下板間隙寬度可能會(huì)存在差異。此外，還應(yīng)避免板材與中間方形管之間出現(xiàn)間隙，以確保整個(gè)焊接流程穩(wěn)定順暢。
圖 14：三明治板結(jié)構(gòu)圖
圖 15：用激光-GMA 復(fù)合焊工藝焊接三明治板接頭的宏觀斷面示例
圖 14：三明治板結(jié)構(gòu)圖
圖 15：用激光-GMA 復(fù)合焊工藝焊接三明治板接頭的宏觀斷面示例
總結(jié)
由于光纖激光器的輸出功率有了大幅增長(zhǎng)，其在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也隨之拓展?，F(xiàn)在，光纖激光器已經(jīng)逐步推進(jìn)至高功率CO2-激光器的應(yīng)用領(lǐng)域。由于具有更高的電光反射效率、更好的靈活性、免維護(hù)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，光纖激光器已經(jīng)引起了那些因?yàn)槌杀驹蚨共降挠脩?hù)的廣泛關(guān)注。至于輸出功率、光束質(zhì)量以及機(jī)身體積，光纖激光器更是將現(xiàn)有固態(tài)激光源遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在了身后，特別是便于裝卸的機(jī)架設(shè)備，使光束傳輸更靈活；超高電光轉(zhuǎn)換效率，可降低設(shè)備配置與操作運(yùn)行的成本。具有諸多優(yōu)勢(shì)的光纖激光器，必將迎來(lái)更為廣闊的應(yīng)用空間。
直到現(xiàn)在，SLV Meckl enburg -Vorpommern GmbH 公司的 10 千瓦光纖激光器始終保持著良好的性能、傳輸靈活，質(zhì)量可靠，充分體現(xiàn)了類(lèi)似激光源的實(shí)用性和可持續(xù)發(fā)展性。
供稿：IPG公司 作者：U. Jasnau, A. Sumpf, Rostock
供稿：IPG公司 作者：U. Jasnau, A. Sumpf, Rostock
參考文獻(xiàn)
[1]. IPG Feature: Fi ber Frenzy, Industrial Laser Solutions, June 2004
[2]. IPG Photonics: Technology, http://www.ipgphotonics.com
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