2004年8月，SLV Meckl enburg- Vorpommern GmbH 生產了首臺10 kW光纖激光器，這標志著光纖激光器的效率已經實現了質的飛越。在隨后的十年里，人們針對激光在各種工業領域的應用進行了大量的研究。我們將通過幾個實例，分析10 kW光纖激光器現場試驗的結果和經驗，并以此作為激光器推廣應用的參考。

　　1.高功率光纖激光器——效率的大跨步

　　近年來，人們已經研制出了可用于高功率激光設備的5 kW Nd:YAG激光源，然而，由于電光轉換效率僅有6%，且機身龐大，所以無論是單純的泵浦光源，還是二極管泵浦Nd:YAG激光源，仍不能完勝固態激光源。隨著光纖激光器輸出功率的進一步提高，光纖激光器開始向著原來只能使用CO2激光源的應用領域推進。在過去的三年里，工業領域使用的多種激光源中，光纖激光器的重要性已經開始日益凸顯。

　　2002年5月，IPG光子公司推出了首款輸出功率達到1 kW的光纖激光器。同年11月份，輸出功率已提升至4 kW。2003年3月，10 kW光纖激光器問世。至此，IPG已經先后推出24款帶有不同輸出功率的光纖激光器，用戶遍及美國、歐洲和亞洲。

　　波長為1070 nm的摻鐿光纖激光器以其外形小巧，光電轉換效率超過25%，以及極佳的光束質量而備受矚目。其主要作用原理是在激光諧振腔內，通過多種光能反饋，生成、引導并操作激光光束。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成。泵浦二極管通過多模纖維形成的雙包層線圈，將能量注入有源光纖。有源光纖內部直接生成激光諧振腔，能量得到增益后通過一根無源單模光纖輸出。將多個單模光纖同步輸出，我們就可以得到一臺功率翻倍的 kW級光纖激光器。由于使用的是光纖到光纖的整體設計，所以完全不需要調整或對齊反射鏡及其他光學元件

　　與其他具有類似輸出功率的激光系統相比，光纖激光器，再加上預計100000小時不間斷操作使用壽命的二極管的維護成本顯然更低。此外，由于光纖激光器的設計緊湊，操作簡便，可接入的光纖最長可達200 m，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域。

　　2004年8月，全球首臺10 kW光纖激光器在德國羅斯托克市的SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司誕生。除了可以進行試驗室焊接、切割和表面拋光試驗外，客戶也可以自行對其進行研究和拓展。Precitec公司已經推出了一系列焊接和表面拋光用的光學頭及切割頭。如果是激光-電弧復合焊，還可以調整焊接頭，使其適合復合焊系統。除了上述靜態應用系統所使用的光學加工頭之外，Mobil Laser Tec公司還研制了一種新型激光頭，用于手動引導焊接及切割。

　　2.移動激光發射基站

　　自從第一臺10 kW乃至更高輸出功率的光纖激光機問世以來，SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意識到，這種激光源配合移動概念，必能發揮更大的作用，完全可以非常靈活地響應客戶對于現場應用的需求。在一個名為“DOCKLASER”的歐洲項目中，工作人員圍繞IPG YLR-10000光纖激光器設計并建造了一個移動激光發射基站（如圖3所示）。這個激光發射基站配備了冷卻設備，還預留了一些用于安放外圍設備的空間。這樣一個激光發射基站，只需要用普通平板貨車就能實現輕松運輸。而該項目之前使用的是來自Trumpf的4.5 kW 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。

　　2.1長距離直縫焊的牽引

為了實現在垂直或水平方向利用激光-GMA復合焊工藝進行長距離直縫焊，焊接設備生產商奧地利Fronius公司設計并制造了一種牽引裝置。該裝置配有一臺激光-GMA復合焊光學頭，一個送絲單元，以及3個直縫焊激光傳感器MTH20，以便對焊縫形態進行追蹤。GMA焊接單元TPS9000最大輸出功率為900 A，占空比60%。牽引裝置與移動激光發射基站基站、焊接單元及傳感器控制單元之間可以借助獨立的控制系統進行通信。用戶通過示教器控制整個系統。該牽引裝置的實地試驗設在JLM Papenburg造船廠

2.2用于三維焊接的機器人

　　2006年夏季，來自SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司的一款配有FUNUC機器人和傾角定位器的機器人單元投入使用。該機器人單元為激光器在三維空間內的應用帶來了了新的解決方案。系統中安裝了離線程序，可根據要求采用純激光縫焊、激光-GMA復合焊、激光切割或激光鍍層。

　　2.3高功率光纖激光器的激光-GMA復合焊

　　船舶制造業會大量使用鋼板以及其它厚度介于3-35 mm的型材，當然也包括管道傳輸、大型容器、起重設備等，常常需要進行長距離直縫焊。然而，現有的傳統型氣體金屬電弧焊及埋弧焊工藝流程加工速度較慢，結果導致大量熱能注入母材，而且焊接時間長，還會造成金屬受熱變形后返工矯形，使生產成本提高。

　　雖然激光-GMA復合焊加工速度快，熱效能高，但是這一工藝的應用始終未能形成規模，究其原因，主要是當材料厚度超過15 mm時，就只能使用CO2激光源了。加工對接接頭和T形接頭時，CO2激光焊接機必須集成反射系統，才能將光束傳輸至工件表面，所以機器又大又重。而且由于傳輸路徑長，光束參數也容易出現波動。另外，已有的CO2激光源的焊接系統無法再被改造，更不要說在此基礎上再添加一個移動發射裝置了。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，暫時也只能這樣選擇。

　　所以，當光纖激光器出現后，SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司就針對國內外多種型材進行了大量的檢測和靈活性研究。研究人員針對激光-GMA復合焊工藝，特別設計了一種焊接頭。這種光學加工頭不僅可以用于搭載光纖激光器的機器人系統，也可以用于搭載12 kW CO2激光器的Trumpf TLC系統。SLV實驗室對兩者都進行了安裝。

　　2.3.1用激光-GMA復合焊工藝加工對接接頭

　　第一項試驗是典型結構鋼的堆焊試驗，該試驗主要是為隨后的試驗積累基礎參數。試驗設計為125 mm準直鏡，250 mm聚焦鏡，光波導， 200 μm芯徑， 90/10比例的氬-CO2的保護氣體對焊接過程進行保護，焦點位置設置為-2 mm，焊槍傾角25度。1.2 mmG3Si1焊絲，送絲速度為12 m/min。弧焊與激光縫焊之間的間隙為2.5 mm。數據顯示，焊接速度為1 m/ min時，焊透深度為13 mm；當焊接速度提高至4 m/min時，焊透深度仍可達到8.1 mm（如圖6所示）。

　　在上述參數的基礎上，研究人員又進行了造船用高強度結構鋼HSLA65和底漆涂覆結構鋼GLA\GLD36的對接接頭焊接。試驗設計為HSLA65板，厚度8 mm，單面焊， 10 kW激光器，焊接速度3.5 m/min，焦點位置-2 mm；然后調整厚度至16 mm，雙面焊，兩面焊接速度均為3.5 m/min，輸出功率10 kW，焦點位置-2 mm。HSLA65經過坡口加工，以確保無間隙

　　在GLA板的試驗中，選擇厚度為9 mm底漆涂覆GLA板，10 kW輸出功率，焊接速度2 m/min，焦點位置+3 mm。單位長度的能量平均達到7 kJ/ c m。在厚度為8 mm底漆涂覆板GLD36的試驗中，根據客戶要求，限定激光功率不超過5 kW，經7度坡口加工（包括坡口角度），輸出功率3.2 kW，送絲速度13 m/min，焊接速度1.1 m/min，單位長度的平均能量達到6.5 kJ/ cm（如圖8所示）。最大硬度值為260 HV5，遠遠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0 mm。

　　在長達6 m的操作架上，用激光-GMA復合焊工藝對經過底漆涂覆及激光切割的GLD36板進行單面焊，兩次試驗母材厚度分別為3 mm和5 mm。厚度為3 mm時，激光器輸出功率3 kW，送絲速度9 m/min，焊接速度2 m/min，單位長度的能量均值達到3 kJ/ cm；厚度增加至5 mm時，激光器輸出功率5 kW，送絲速度10 m/min，焊接速度1.7 m/min，單位長度的能量為4.4 kJ/ cm（如圖10所示）。造影檢查、抗彎測試以及抗拉測試結果均符合要求。最大硬度值為270 HV5。

　　2006年春季，，一座配備了IPG 6 kW光纖激光器YLR-6000的激光-GMA單面復合焊工作站在芬蘭港口城市圖爾庫的Aker Finnyards公司開始正式投入使用（如圖11所示）。LV Meckl enburg-Western PommeraniaGmbH公司為該復合焊設備提供焊接頭和安全保障。

基于高功率光纖激光的復合焊

　　2.3.2用激光-GMA復合焊工藝加工T形接頭

　　船舶制造業主要的結合工作是角縫焊。如果用激光-GMA工藝對焊接接頭進行單邊或雙邊焊透，就形成了我們所說的T形接頭。

　　簡言之，在船舶制造業，激光-GMA復合焊最主要的應用就是接頭焊接。

　　在“DOCKLASER”項目中，客戶列出了下列要求：

　　常規焊接長度的焊接

　　底漆涂覆型材的焊接

　　點焊

　　腹板坡口加工等離子切割或熱軋卷板

　　1 mm間隙焊

　　在試驗之初，研究人員就已經非常清楚，必須先去除焊接間隙中間的底漆，露出金屬部分。如果沒有這道工序，焊縫上很可能會出現由于排氣不完全所造成的氣孔。在焊接速度高、熔池凝固快時尤其如此。如果是在面板上焊接球扁鋼，也應先清理涂層；但如果是等離子切割坡口，則側面的底漆可以保留。間隙焊其實可以達到2 mm，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。

　　試驗結果顯示，焊縫質量相當出色，而且具有良好的重復性。下一步就是利用過程統計模型，找到最佳的結果。這些統計的最佳參數在后來的耐久測試中再一次得到證實。基于這些數據，研究人員又在相關造船廠進行了大量現場試驗。在那里，他們甚至操作了長達10 m的直縫焊，遇到的唯一問題就是未定義牽引系統的傳輸軌道，而這一點也無法通過焊縫跟蹤系統彌補。解決方案是對復合焊接頭進行引導，再配合使用操作架，這樣就可以定義傳輸軌道了。

　　腹板厚度為10 mm時，10 kW激光器可單面焊透，焊接速度1.6 m/min，送絲速度12.5 m/min，單位長度的能量達到7 kJ/ cm。如果通過光學系統正確調整激光光束的傾斜角度，還可進一步提高腹板厚度至12mm。

　　2.3.3用激光-GMA 復合焊工藝加工三明治板接頭

　　利用激光-GMA 復合焊工藝焊接三明治板是一項較為特殊的應用。三明治板所用的鋼板厚度通常介于 2.5 –3 mm。一個長為 10 m的三明治板，內部有 4X40 mm的腹板，從而形成所謂的 I 形支撐點。這些結構間隙為 120 mm，通過 CO2激光器樁焊。

　　為了將多個三明治結構連成整板，我們需要用方形管連接各個部分，同時將其用作焊縫背墊。在“DOCKLASER ”項目中，工作人員用輸出功率為 4  kW的激光焊接機處理類似接頭，焊接速度為 2.5  m/min（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  mm的技術間隙，在焊接過程中需要通過 GMA工藝進行間隙焊，所以整體焊接速度會受到限制。

　　如果在預加工過程中運用技術手段，降低間隙寬度，焊接速度則可以提高至9 m/min。預加工中需要注意的一個主要問題是上板間隙寬度和下板間隙寬度可能會存在差異。此外，還應避免板材與中間方形管之間出現間隙，以確保整個焊接流程穩定順暢。

　　總結

　　由于光纖激光器的輸出功率有了大幅增長，其在材料加工領域的應用范圍也隨之拓展。現在，光纖激光器已經逐步推進至高功率CO2激光器的應用領域。由于具有更高的電光反射效率、更好的靈活性、免維護、操作簡單等特點，光纖激光器已經引起了那些因為成本原因而止步的用戶的廣泛關注。至于輸出功率、光束質量以及機身體積，光纖激光器更是將現有固態激光源遠遠拋在了身后，特別是便于裝卸的機架設備，使光束傳輸更靈活；超高電光轉換效率，可降低設備配置與操作運行的成本。具有諸多優勢的光纖激光器，必將迎來更為廣闊的應用空間。

　　直到現在，SLV Meckl enburg -VorpommernGmbH 公司的 10  kW光纖激光器始終保持著良好的性能、傳輸靈活，質量可靠，充分體現了類似激光源的實用性和可持續發展性。

　　關于IPG

　　IPG光子公司是全球高功率光纖激光器和放大器的領導者。公司始創于1990年，它倡導將基于有源光纖的激光器推廣應用于材料加工、通訊、醫療、科研等多種先進領域，并使其商業化。光纖激光器的應用為激光領域帶來了革命性的變革，它憑借卓越的性能、可靠性、綜合使用成本低等優勢，在為用戶提高生產率的同時降低了成本。IPG總部設在美國東部馬薩諸塞州牛津市，并在全球多個國家建有生產、銷售及服務基地。阿帕奇（北京）光纖激光技術有限公司是IPG光子公司在中國的全資子公司，主要負責IPG光纖激光產品在中國地區的市場開拓、應用研發、系統集成、產品銷售、售后服務和技術支持。

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2015-0806