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论激光技术的进步引领先进制造业的变革

同样得益于二极管泵浦激光器的发展,碟片激光器却采用了截然不同的散热方式。它不是以光纤作为增益介质,而是将其转化为一张薄碟片,从而使输出功率扩展到千瓦级。不过,与光纤激光器相比,碟片激光器无论是在生产效率还是光束质量上都没有优势,且其光路也需要更多空间。

表1:不同激光器的对比总结[5-8]

二极管激光器在功率提升后已然能够满足部分工业需要。未来碟片激光器、直接半导体激光器和光纤激光器的功率仍将越来越高。凭借更小的光斑尺寸和更高的光功率密度,光纤激光器和碟片激光器仍会拥有最高的亮度。凭借这一点它们也将成为工业应用中最受欢迎的激光器产品。

不同激光器的应用与技术对比

激光技术的发展改变了制造业的格局,如今的制造商面临着来自生产效率、精度和价格的压力,这些压力正推动制造业往更加自动化的方向发展。换句话说,激光器将更加适用于制造业,也更为制造业所需要。目前在工业加工领域使用最为广泛的激光器主要包含光纤激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器和碟片激光器。

金属切割是激光器如今最常见的应用领域。自21世纪初以来,光纤激光器已在整个行业占据中心且绝对主导的地位。其快速的切割速度和低维护与运营成本使元器件成本降低。光纤激光器所拥有的高亮度与高光束质量的优势,使其比半导体激光器、碟片激光器或二氧化碳激光器更加快速地切割薄钣。尽管二氧化碳激光器也能切割出拥有出色端面质量的厚钣,但是这一优势很快就被光纤激光器和碟片激光器所代替和超越。

图3:左图为4千瓦光纤激光器切割碳钢的速度与厚度对比,以实心圆点与实线表示;右图为4千瓦二氧化碳激光器切割不锈钢和铝材的速度与厚度对比,以空心圆点与虚线表示。MS代表碳钢,SS代表不锈钢,Al代表铝。

图3为4千瓦光纤激光器和二氧化碳激光器的切割速度对比。其中以下几点值得强调:

◆光纤激光器切割所有样品都比二氧化碳激光器更快。

◆使用氧气切割碳钢的速度比使用氮气慢10%左右,而氮气在切割所有金属时都有良好的表现(在切割薄钣时,氮气的切割速度可达到氧气的6倍)。

◆使用氧气可增加切割碳钢的厚度。

光纤激光器出色的光传输、光束质量、成本优势和广泛的适用范围,使得它成功替代了电子束系统和二氧化碳激光器进入高能量密度焊接领域并占据了优势地位。

二氧化碳激光器无法加工高反金属的原因,是其输出波长(10μm)无法很好地与材料匹配。而光纤激光器的波长为1μm,材料对该波段有较高的光吸收性,但光纤激光器还是会受到部分反射光的损害,这一缺点限制了光纤激光器处理铜或其他高反材料的能力。恩耐的光纤激光器拥有真正独到的抗高反技术,已广泛应用于铜、金、黄铜、银和铝材的焊接和切割中[9]。电动汽车的锂电池制造是光纤激光器的另一大应用领域,光纤激光器的进入不仅为锂电池制造行业带来了成本节省,也提高了其设计灵活性和更稳定的产品质量。

对于加热、熔覆、硬焊等无需极高光束亮度的应用领域,半导体激光器成为了它们的理想选择。如果使用光纤激光器和碟片激光器,更大光纤发出的光束或者光束整形光学器件将导致高亮度光束的分解。尽管这使得这些光源的适用性更强,但对前文提到的应用领域来说,半导体激光器(直接从二极管条或光纤传输)的适用程度要更高。

金属3D打印,也称为增材制造,其主要制造工具为粉末堆积工具。工具制造商们如今正在寻求更好的光束质量、更精确的功率控制和更快的调制速度,以实现更完美的材料特性与更好的表面光滑度。目前唯一可以在增材制造中实现以上几点要求的只有光纤激光器。光纤激光器和半导体管激光器也可适用于送粉式增材制造,被称为激光沉积技术。

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