在激光焊接領(lǐng)域，隨著高功率光纖激光器和碟片激光器的引入，機(jī)遇和挑戰(zhàn)以有史以來最快的速度在迅速地增長。最值得注意的是，更高激光功率和光束質(zhì)量使其應(yīng)用范圍有機(jī)會(huì)擴(kuò)展到更深的激光深熔焊接，這也為激光聚焦光學(xué)組件帶來了一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。
具體來說，聚焦光學(xué)組件面對(duì)的挑戰(zhàn)或者說障礙被稱為“離焦量（focal shift）”，對(duì)這一問題的描述早在十年前就由Dirk Lange提出。該研究對(duì)離焦量進(jìn)行了定義和量化（在YAG功率最低不超過3kW時(shí)為1 mm/kW）。巧合的是，在同一時(shí)期，EWI在一項(xiàng)涉及光束耦合器應(yīng)用中觀察到在4kW光纖激光功率時(shí)也有類似的現(xiàn)象。但EWI在開始10kW功率的光纖激光焊接試驗(yàn)時(shí)才觀察到離焦量對(duì)激光焊接造成的實(shí)際影響。
控制和管理離焦量
激光焊接過程中離焦量的產(chǎn)生過程如圖1所示。為了便于討論，我們假設(shè)具有非常低的吸收率的透鏡和一個(gè)保護(hù)蓋片的1微米聚焦光學(xué)組件在非常潔凈的情況下開始傳輸。不幸的是，這種情況在生產(chǎn)環(huán)境中是很少存在的。有時(shí)在焊接時(shí)(或之前)，煙塵、蒸汽、油、飛濺物或其他形式的污染物會(huì)在最近的光學(xué)表面上發(fā)現(xiàn)——保護(hù)玻璃窗口。這種污染會(huì)使得窗口局部過熱，產(chǎn)生熱變形和窗口折射率的變化。這個(gè)結(jié)果會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)遠(yuǎn)離工作面而向光學(xué)組件移動(dòng)，從而產(chǎn)生更多污染和焊接熔深的損失。
圖1：激光焊接中離焦量的發(fā)生。
有很多關(guān)于控制和管理離焦量的解決方案。首先，最常見的是氣刀，這實(shí)際是一種高速、橫向的清潔的氣流或其他氣體，旨在保護(hù)最末的光學(xué)表面免受污染。有許多種不同的氣刀（也被稱為“窗口保護(hù)”裝置）被用來解決離焦量問題。其中有些設(shè)備使用了散射光監(jiān)控解決方案來檢測(cè)污染何時(shí)開始，并希望以此能在產(chǎn)生不良焊縫之前暫停焊接過程。不幸的是，目前還沒有人能制作出一種完全有效的窗口保護(hù)裝置，并且過程中的污染并不是讓透射聚焦光學(xué)組件發(fā)生熱移位的唯一原因。
聚焦光學(xué)組件的替代方案
面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，EWI開始研究激光聚焦光學(xué)組件的替代方案，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：
● 盡可能多地減少光學(xué)傳輸裝置；
● 使用熱穩(wěn)定性較好的光學(xué)傳輸裝置；
● 在可能的情況下使用金屬反射鏡；
● 提供更好的光學(xué)冷卻；
● 放置最末的光學(xué)表面時(shí)使其遠(yuǎn)離工作面。
依據(jù)這些準(zhǔn)則，EWI制作出一種“復(fù)合式”聚焦光學(xué)組件，綽號(hào)叫“bazooka（火箭筒）”(圖2)，該組件集合了多種創(chuàng)新的功能。首先，激光光纖發(fā)散光束的準(zhǔn)直是用經(jīng)過金剛石切削處理的硫化鋅材料透鏡完成的，這種材料的熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)的光學(xué)傳輸材料石英玻璃的20倍。對(duì)這種材料進(jìn)行金剛石車削(DT)意味著可以在凸面得到理論上完美的透鏡面形。其次，這個(gè)透鏡的平面一側(cè)通過與另一個(gè)DT表面（水冷透鏡支架）直接接觸來冷卻。這樣的DT面與DT面接觸能產(chǎn)生極其高效的熱傳遞，從而讓準(zhǔn)直透鏡保持冷卻。
圖2：“Bazooka（火箭筒）”復(fù)合式激光聚焦光學(xué)組件。
“火箭筒”的準(zhǔn)直光束的聚焦是用標(biāo)準(zhǔn)的離軸、水冷拋物面鏡完成的，這種拋物面鏡幾十年來通常用于高功率CO2激光焊接系統(tǒng)中。這種堅(jiān)固的未鍍膜的光學(xué)表面對(duì)污染幾乎完全免疫，可以被多次清洗，能防止飛濺物接觸到中間窗口。這種中間窗口對(duì)于保護(hù)相對(duì)較昂貴的ZnS準(zhǔn)直透鏡來說是很有必要的。并且在此窗口的輸出側(cè)使用清潔氣流來預(yù)防煙塵和其他低速污染物。
在最高不超過8千瓦的光纖激光功率情況下，這種“復(fù)合”光學(xué)設(shè)計(jì)的離焦量幾乎為零(~0.2 mm/kW)。出人意料的是，這與EWI所有的傳統(tǒng)傳輸聚焦設(shè)備測(cè)量的離焦量相反。這種現(xiàn)象被歸因?yàn)閭鬏敼鈱W(xué)組件的負(fù)離焦(“上方”)和未鍍膜銅反射鏡這一面的正離焦(“下方”)的結(jié)合而引起的。
多年來，“bazooka（火箭筒）”在EWI的許多激光焊接項(xiàng)目中提供了穩(wěn)定的焊接性能，甚至包括那些需要15kW功率的應(yīng)用。其完成的16mm的激光深熔焊接具有良好的焊縫剖面。但是當(dāng)EWI被要求在10mm厚的航天合金上，進(jìn)行11道零缺陷的3.6m長焊縫的焊接時(shí)，這種聚焦光學(xué)組件終于遇到了難題。在解決這一問題的研究過程中，我們進(jìn)行了一些較短的0.6m長焊縫的焊接，并且觀察到了離焦的發(fā)生。盡管清洗“bazooka火箭筒”光學(xué)組件能夠解決這一問題，但是在全長（3.6m）面板上制作出不良焊縫的風(fēng)險(xiǎn)仍然太高。因此該項(xiàng)目需要一個(gè)新的聚焦光學(xué)解決方案才能繼續(xù)進(jìn)行。這種解決方案的目標(biāo)很簡單——消除所有傳輸聚焦光學(xué)組件。但有一個(gè)很明顯的問題是，這樣不保護(hù)精細(xì)的激光光纖端。最終采用了現(xiàn)在這種具有專利的解決方案，即用兩個(gè)聚焦反射鏡與氣動(dòng)窗口連接在一起來保護(hù)光纖端(圖3)。該結(jié)構(gòu)中的每個(gè)反射鏡都是金剛石切削的不對(duì)稱非球面形狀，由II-VI公司專門針對(duì)EWI的要求而生產(chǎn)。接收較高激光功率密度的第一面反射鏡具有高反射率鍍膜，并產(chǎn)生光纖端面的1：1成像。氣動(dòng)窗口的中間對(duì)準(zhǔn)了這個(gè)第一幅圖像。在氣動(dòng)窗口靠近光纖這面的腔內(nèi)引入潔凈的氣體，從而產(chǎn)生高速、共線的氣流來防止任何污染物進(jìn)入這一區(qū)域。
圖3：氣動(dòng)窗口聚焦光學(xué)組件。
在經(jīng)過氣動(dòng)窗口后，光束向第二面不對(duì)稱聚焦鏡擴(kuò)展，在工作面上產(chǎn)生了第二幅光纖端的放大圖像。第二面反射鏡和工作面之間的長距離（350-500mm）使得有充足的機(jī)會(huì)來借助氣刀排除污染物，并且在這個(gè)未鍍膜的銅反射鏡上的大尺寸光斑對(duì)其吸收或表面圖像幾乎不構(gòu)成威脅。該反射聚焦光學(xué)組件的光束參數(shù)乘積小于7 mm-mrad（200μm的光纖），熱移位大約為0.1 mm/kW。
圖4：第二代氣動(dòng)窗口反射聚焦光學(xué)組件。
這個(gè)反射聚焦光學(xué)組件（ 名為“beast野獸”）能成功滿足客戶的需求，在10mm厚的對(duì)接焊板上完成11道3.6m長的焊縫，并且所有焊縫的質(zhì)量規(guī)格都符合要求。從開始的第一個(gè)面板到末尾的最后一個(gè)面板，焊縫的形狀沒有變化。并且，在這些13 kW、將近2分鐘時(shí)長的焊接過程中不需要進(jìn)行任何反射鏡清洗。第二面反射鏡會(huì)受到一些飛濺（在所有焊接開始時(shí)），但這些并不會(huì)影響焊接性能。換句話說，這個(gè)聚焦光學(xué)組件能滿足其所有設(shè)計(jì)和性能目標(biāo)，客戶也能得到所要求的面板。
不過， 盡管獲得了成功， 但是“beast野獸”仍有一些揮之不去的問題。首先是其外形和聚焦方向不太合適。其次，安裝第二面反射鏡所需的對(duì)準(zhǔn)精度在工業(yè)上還不能接受。最后，對(duì)于預(yù)期中會(huì)進(jìn)一步升高的激光功率水平來說，水冷反射鏡安裝方案還不能滿足未來的需求。因此，我們就這個(gè)擁有專利的解決方案推出了改進(jìn)的版本。(很明顯，改進(jìn)的版本不會(huì)被稱為“son-of-beast”。)
圖5：分別以1、2、3、4和5m/min的速度在2205雙相不銹 鋼上進(jìn)行20 kW的深熔焊接。
我們對(duì)最新的氣動(dòng)窗口反射聚焦光學(xué)組件(圖4)進(jìn)行了調(diào)整，以解決“野獸beast”的每個(gè)缺點(diǎn)。在線配置能提供一個(gè)更傳統(tǒng)的光纖輸入方向。較淺的光束折疊角度使得反射鏡安裝不需要精確定位。事實(shí)上它不需要任何對(duì)準(zhǔn)。反射鏡也被重新設(shè)計(jì)，使得水冷更接近鏡面，從而可以在該位置進(jìn)行溫度監(jiān)控。將水冷通道納入方塊式結(jié)構(gòu)中，以降低水冷通道發(fā)生纏繞的幾率。并且使用了較新的光纖連接器（HLC-16）以適應(yīng)更高的功率。
對(duì)第二代聚焦光學(xué)組件進(jìn)行的初始測(cè)試顯示了在20分鐘的15千瓦激光功率下的熱穩(wěn)定性，離焦量大約為0.1 mm/kW。在EWI安裝了新的冷水機(jī)組后將會(huì)在20kW激光功率下進(jìn)行額外的熱移位和離焦測(cè)試。不銹鋼平板堆焊的焊接效果(圖5)表明，這個(gè)光學(xué)組件能帶來非常出色的焊接結(jié)果。
小結(jié)
EWI認(rèn)為其反射聚焦解決方案對(duì)于高功率激光焊接來說是最穩(wěn)定、最有效的方法，特別是在不良焊接會(huì)帶來嚴(yán)重后果的情況下。隨著行業(yè)對(duì)于在關(guān)鍵應(yīng)用中使用激光焊接的信心不斷增加，EWI將會(huì)對(duì)光學(xué)解決方案繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。
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