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光纖激光YAG燈泵浦激光器半導體激光光斑效率區別使用技巧

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光纖激光器yagYAG燈泵浦激光器 半導體激光光斑效率區別使用技巧

 

 

光纖激光器和YAG燈泵浦激光器原理區別

光纖激光器的電光轉換效率高達28 %,而YAG燈泵浦激光器只有1.5%~2%
不用更換燈管,因而更加省錢:光纖激光器中使用了壽命長達10萬小時的電信級單芯結半導體激光管

  • 所有功率級的光斑大小和形狀都是固定的

  • 免維護或低維護

  • 備件極少

  • 風冷或基本不需要冷卻

  • 體積相當小

  • 工作距離更長

  • 不需要調整

  • 無需預熱,立即可用

 

設計上,光纖激光器產生的熱量更少,對所產生熱量的管理更為有效。摻鐿半導體泵浦光纖激光器(泵浦波長980 nm)比摻釹YAG二極管泵浦激光器(泵浦波長808 nm)的量子虧損(即泵浦能量和發生能量之差)低。另外,光纖激光器的光光轉換效率通常為70-80%,而泵浦YAG僅約為4%,旭華半導體泵浦YAG和盤形激光器約為40%。由于激光始終被包含在光纖內,因而激光腔內不會存在其它導致激光損失的因素。

 

半導體陣列激光器原理

      激光陣列(又名整體激光半導體陣列)由多個并聯安裝于晶體材料發光體組成,由于發光體之間的連接區域熱密度大,熱干擾強,半導體陣列必須采用軟焊料(銦)安裝在銅材料上,并且采用水冷裝置,該裝置利用流過銅材料中的細微鍍金溝道(被稱為微溝道冷卻器)的高速、高壓水流實施主動式冷卻。但是,系統中的冷卻水必須保持極度清潔且PH值中性,原因是溝道由于受穴蝕和侵蝕的影響會在相當短的時間內壞掉。而保持水質標準是相當困難的,尤其在工業環境下。銅散熱材料和半導體陣列半導體屬于完全不同的材料,包括其熱膨脹系數。在實際工作狀態下,由于頻繁的開關操作,半導體陣列的性能下降非常快,比制造商在確定設備特性時使用恒定驅動電流的狀態下要快得多。

   

 

 

 

激光器的選擇按照熔深大小可分為:小于0.01in0.01~0.03in和大于0.03in。一般來說,可以選擇多個激光源來完成焊接,但是出于對性能和預算的考慮,往往只能選擇一到兩個光源。當然,最后的決定可能還會受其他很多因素影響,比如樣品質量、地理因素、售后服務、系統集成商的偏好等,當然可能還會受人緣關系影響。

 

  小于0.01in焊縫熔深

 

  主要采用脈沖Nd:YAG激光器,其次是光纖激光器。在考慮部件裝配、接頭形狀、材料和鍍層等情況下,需要對整個焊接過程有更好的控制,脈沖Nd:YAG激光器則是最佳的選擇。采用高峰值功率可以產生光點尺寸大于1000微米的焊接光束,在選擇焊點尺寸時具有較大的靈活性,從而使焊接本身的工藝窗口最大化,同時保證在生產環境中必要的容差。

 

  光纖激光器是該分類中唯一一種連續波激光,因為光纖激光器可以使光束聚焦后的光點尺寸小于25微米,這樣就可以獲得焊接所需要的高功率密度。為了保證在微加工領域的價格競爭力,光纖激光器功率一般不超過200W,這樣也就限制了其最大的光點尺寸,無法提供足夠的功率密度,一般焊點尺寸不超過75微米。這是光纖激光器一個最大的限制,這樣在實際生產中,按配合公差和疊加公差來調節接頭/部件時,往往無法保證±15毫米的誤差范圍。

 

  光纖激光器主要用于為了保證穩定性對焊點要求很高的厚度較薄材料的搭焊中。光纖激光器采用焦距為150mm的鏡頭可以產生直徑小于25微米的光點,這樣給加工帶來了足夠的操作空間。光纖激光器采用搭焊焊接可以以較高的速度獲得熔深達到0.01in甚至高于0.01in的焊縫;200W單模式光纖激光器在高達50in/s速度下可以獲得0.004in的熔深。

 

  相比較來說,脈沖Nd:YAG激光器除了薄箔片焊接外在這個區間可以滿足所有的應用。該激光器的光點尺寸、脈沖寬度以及峰值功率范圍都較大,因此在經過調節和優化后幾乎可以滿足各種焊接需求。

 

  0.01~0.03in焊縫熔深

 

  上面所說的脈沖Nd:YAG激光器和光纖激光器的應用分類在這里依然有效,但是范圍較窄。脈沖Nd:YAG激光器用于大多數的點焊加工,而采用約500W功率且光點直徑為0.01微米的光纖激光器可以用于低容差的對接焊和角焊中。脈沖Nd:YAG激光器的性價比相對較高,500W25W功率的激光器可以在不同焊接速度下帶來不同的焊縫熔深;峰值功率可以保證熔深性能而平均功率可以保證縫焊的焊接速度。

 

  功率在500~800W之間的二極管激光器可以焊接容差較大的部件,速度一般要比光纖和碟式激光器慢,但是較大的容差可以彌補這一不足。

 

  焊縫熔深大于0.03in

 

所有的激光器都適用于此范圍。脈沖Nd:YAG激光器可以達到的熔深約為0.05in,而其他類型的激光器可以達到0.25in,有些甚至超過0.5in。一般來說,該范圍內脈沖Nd:YAG激光器所適用的焊接部件都比較小,如采用縫焊的壓力傳感器等元件。除此之外,在速度和熔深方面,汽車行業基本涵蓋了幾乎所有的應用范圍,光纖、CO2、碟式和二極管激光器都可以選擇使用。

 

 尋求平衡

 

  這些激光源最主要的區別是光束質量、亮度和波長。光束質量指的是激光的可聚焦性,亮度指被聚焦光束內的功率密度。舉例來說,CO2激光器和光纖激光器的光束質量差不多,這樣如果其他參數都一樣的話,它們可以聚焦成為直徑相同的光點。光纖激光源的波長是CO2光源波長的十分之一,因此光纖激光源可以產生的光點直徑就是CO2光源的十分之一;而光纖激光源的光束質量和亮度則更好。

 

  在激光焊接中,熔深和速度是與光束質量和亮度成正比的,而焊接穩定性和容差與光束質量和亮度卻沒有那么直接的關系。因此,焊接性能和質量以及工藝窗口的寬度之間必須尋求一種平衡。需要知道的是,為了滿足實際需求,可以將光束的質量調低,但是無法將較差的光束變好。

 

  在0.25in熔深時,以上幾種激光器的焊接速度非常接近;光纖和碟式要比CO2速度快,而二極管要慢于CO2。采用較高功率激光器進行焊接通常需要兩班倒的方式,這意味著選擇哪一種激光器還與采購激光器的成本有關。雖然CO2激光器擁有大量的用戶,而且他們對這種技術也非常熟悉,不過與光纖、碟式和二極管激光器相比,CO2激光器單次焊接的成本要高很多。

 

  激光焊接在熔深需求超過0.25in的焊接應用中與等離子和弧焊相比要更有優勢,可以大大減少熱變形。熱變形的減少可以維持部件的幾何形狀,這樣就不必再對部件幾何外形進行重新處理。部件配合在這種厚度下可能會帶來問題,可以采用填絲或將激光焊與等離子焊及弧焊相結合的工藝流程。

      導致半導體陣列發射故障的其它原因來自半導體陣列自身,半導體陣列的壽命通常由其“最弱”的發光體決定。為了提高半導體陣列性能和散熱能力,通常使用導熱性能好的銦作為軟焊料連接陣列與微溝道冷卻器。當驅動電流很大時,銦會發射電遷移現象,進而在瞬間發生故障。
     

      激光器原理許多半導體陣列制造商往往根據使用時間長短確定其使用壽命。而激光的單管散熱材料與半導體芯片的熱膨脹系數相同,旭華光纖激光使用的電信級硬焊料不存在電遷移問題,根據光纖激光器的大小,旭華光纖激光器或者采用高速風扇進行風冷,或者在散熱裝置下方采用不銹鋼管路進行水冷,二極管不會與冷卻水發生接觸。半導體光纖通過光纖直接送至激活介質實現接續,從而避免了空氣與激光介質接觸而造成污染。單管的壽命與其工作電流之間存在直接關系,所有工業旭華光纖激光器半導體的設計電流使其使用壽命(平均無故障工作時間)能夠達到10萬小時以上。半導體光源的壽命并非單獨確定,而是與光纖激光器或放大器的整個質保期相同。

 

      

   光纖激光器原理,這是一個光纖輸出在工件上成像的過程。旭華激光的光斑大小等于光纖直徑乘以準直器的放大率和最終聚焦透鏡直徑。例如,如果光纖直徑等于50μm,準直器的焦距等于 60 ,最終聚焦透鏡 的焦距等于300mm,則最終光斑尺寸等于SS= 50x 300/60= 250微米。光纖直徑、準直器、最終聚焦透鏡可根據光斑大小要求進行調整。光斑大小不隨額定功率的5% ~ 105%動態范圍發生變化,對于單模激光器,在使用低階模激光遮蔽裝置時,光斑大小為高斯光束光斑。

各種光斑適用于的場合100μm光纖用于切割,200μm用于焊接,400μm或400μm以上用于熔覆或熱處理。

各種激光光源激光器原理的適用效率

摻鐿光纖激光器 28%
YAG燈泵浦激光器 1.5-2%
二極管泵浦YAG 10-20%
盤形激光器 15-25%
CO2激光 5-15%




 

 

                                                           二極管泵浦YAG工作原理圖

 

        冷卻: 由于光纖激光器的效率高,因而對冷卻的要求就低,用電就少。小功率光纖激光器只需要空氣冷卻即可,高功率光纖激光器采用水冷,與其它同等的激光器技術相比更加簡單,成本更低。冷卻還取決于生產環境的特殊性。

 

       消耗品/備用件: 由于光纖激光器采用了更加高效的設計(熱量管理效率更高)和采用了電信級單芯結泵浦源,因而為您節省了備用件(例如燈和半導體陣列)、勞動力和停產時間。許多YAG中使用的燈和半導體陣列的使用壽命分別約為2000小時和20000小時,僅相當于激光單芯結10萬小時平均無故障工作時間的幾分之一,這意味著在激光器的使用壽命內,您不必更換模塊。如果您使用全固態光纖轉光纖激光器的話,會節省更多,因而不需要像傳統的激光器那樣進行光學裝置調整或維護,如共振腔鏡、晶體、液體、濾光片。

 

       維護: 光纖激光器不需要維護或者僅需少量維護,具體取決于輸出功率及其它因素,而傳統激光器則不然。不需要調整光學裝置,沒有預熱時間和消耗品/備用件。從而為您節省一大筆維護費用。

       資本成本: 一臺光纖激光器可同時完成切割、焊接、鉆孔等多種操作,使您不必針對不同的操作單獨購置不同的激光系統,從而降低您的投資成本。


2017年11月29日 18:40
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