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用最亮的激光器致敬祖國七十華誕

來源:湖南大科激光有限公司    關鍵詞:激光, 激光器, 激光技術,    發布時間:2019-08-16

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1949年10月1日天安門城樓上毛主席以他特有的雄渾聲音宣告了共和國的誕生,到2019年,共和國即將迎來70華誕。這七十年,改天動地,也驚天動地。在接下來的歲月里,風云激蕩的世界將看到中國在“高端制造”領域的不斷突破。高亮度光纖激光器是高端制造領域的核心技術;大科激光銳意創新,努力研發世界一流的光纖激光器產品。為了致敬祖國七十華誕,大科人利用自己的第一代核心優勢產品----最亮的2000瓦單模光纖激光器,創作了激光工藝作品《奮進“70”年》。
 
 
 
圖1 奮進“70”年
 
作品以慶祝祖國70華誕為主題,用代表性的建筑----天安門城樓為主景,后排在紅旗簇擁之中的“70”字樣特別突出,代表祖國從1949~2019的70年奮進歷程。作品以習總書記提出的“不忘初心,牢記使命”和“繼往開來、勇往直前”主題教育字樣作為支撐,兩側有大科激光標識。作品以臺階的方式呈現,給人以鮮明的層次感,寓示著祖國不斷向上發展,代表了大科人對祖國生日最誠摯的祝福。
 
整個作品由紫銅、黃銅和6061鋁合金三種高反材料組成,運用了激光切割、激光焊接和激光打標三大工藝。銅、鋁及其合金等高導熱系數、高電導率材料的激光加工工藝一直是激光加工領域的技術瓶頸,這些材料具有在固態下對激光的吸收率特別低、但熔化后其吸收率會大大增加的特性。要對這些高反射材料實施激光加工,相應的激光器應該具備以下兩個特性:(1)優秀的抗高反能力;(2)出色的光束質量。大科第一代核心優勢產品2kW單??垢叻催B續光纖激光器DK-YSM2000AR,光束質量因子M2小于1.2,接近衍射極限,采用多重措施處理工件的反射光,在高反材料的切割、焊接方面具有無與倫比的優勢。
 
 
 
圖2  DK-YSM2000AR
 
由于紫銅具有良好的導熱性,在切割過程中材料的邊緣會產生嚴重的熱影響區。為了減少切割的熱影響痕跡,通常會采用空氣進行切割,但其切割效率低且切割斷面粗糙。為了解決紫銅的切割質量和效率問題大科激光改用氧氣切割,不僅切割效率提升了200%,而且切割斷面光滑;同時,通過改變激光器的出光模式,可以明顯的減少切割邊緣的熱影響區。目前,大科激光2kW抗高反型單模單諧振腔光纖激光器可以實現不銹鋼、鋁合金、黃銅的最大切割厚度為10mm,紫銅的最大切割厚度為6 mm,也是唯一能實現4mm紫銅連續長時間無報警高質量切割,切割邊緣無明顯熱影響痕跡的激光器。DK-YSM2000AR單??垢叻催B續光纖激光器可兼顧薄板的高速切割與中厚板的亮面切割,實測薄板切割能力明顯優于3000W多模產品,并可實現長時間無誤警連續切割高反射金屬材料。
   
 
 
圖3  10mm黃銅連續切割
 
 
 
圖4   6mm紫銅連續切割
 
 
 
圖5  4mm紫銅連續切割
 
紫銅在焊接過程中產生的高反光強度比切割更嚴重,有研究表明常溫下紫銅對1064nm波段的激光吸收率只有4%,波長越短其吸收率越高(如圖6),目前市場上最具有優勢的為波長532nm的綠光激光器,但這種類型的激光器由于技術和價格等方面的原因,使得其在工業領域還未得到有效的應用。另一方面,研究發現當焊接小孔形成以后,紫銅對紅外光(1μm波段)吸收率可達到60%以上。
 
研究者發現,在使用大功率多模激光器焊接紫銅時存在穩定性差、飛濺大、氣孔傾向大、成形差等問題,這主要是由于紫銅的高反射、高導熱、吸氫性等原因造成的,所以紫銅焊接時一般使用的是高功率、高速度的工藝,3mm的紫銅焊接需要的多模光纖激光器功率高達10KW,這也意味著設備的造價顯著增加。使用大科激光2kW抗高反型單模單諧振腔光纖激光器,搭載目前市場上成熟的擺動焊接頭,可以有效的避免以上工藝難題。實驗表明:DK-YSM2000AR單??垢叻催B續光纖激光器可以對2mm的紫銅進行高質量的拼焊(如圖7),同時可根據不同熔深要求對焊接速度進行相應的調整,且不影響焊縫質量。相同條件下DK-YSM2000AR單??垢叻催B續光纖激光器的功率密度是同功率普通光纖激光器的16倍,這也意味著使用DK-YSM2000AR單??垢叻催B續光纖激光器進行紫銅焊接時更容易形成穩定的小孔,使得功率閾值更低,焊接工藝窗口更寬。
 
 
 
圖6 反射率與波長的關系圖
 
 
 
圖7  2mm紫銅拼焊效果圖
 
黃銅由于鋅含量高,激光焊接時鋅元素的蒸發燒損,易造成氣孔、焊縫凹陷及焊縫焊接過程不穩定等缺陷(如圖8)。
 
 
 
圖8  黃銅焊接缺陷
 
使用DK-YSM2000AR單??垢叻催B續光纖激光器搭載擺動焊接頭,通過調整焊接功率和擺動參數等工藝條件,可以有效的避免焊接過程中的氣孔、飛濺等問題(如圖9),實現黃銅的近無缺陷焊接。實驗表明,DK-YSM2000AR單??垢叻催B續光纖激光器焊接黃銅的最大深度可達4mm,焊接質量和工藝窗口遠高于傳統的多模光纖激光器。
 
 
 
圖9 黃銅焊接效果圖
 
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