感恩行焊接篇 | 激光焊接无畏高反,不信您试试野蛮测试?
时间:2020-12-02来源:原创文章

高反材料对光纤激光的吸收率不高,导致加工过程稳定性较差,不管是切割还是焊接,都是激光加工领域的传统难题,其中,焊接通常会产生比切割程度更高或持续时间更长的回返现象。

 

半导体激光器因其平顶光斑,能量分布均匀,焊缝成型较好,在焊接应用中有着较大的优势。在工业生产中,如铝、紫铜、黄铜、不锈钢等材料有着越来越多的应用,但是传统半导体激光器在用于这些材料的焊接过程中,常常会面临因高反导致激光器寿命锐减,甚至烧坏的问题。

 

对于激光

什么是高反?

 

一般来讲,高反指的是由于加工材料电阻率较小,表面较为光滑,对近红外激光的吸收率较低,如图1所示为常见金属元素的吸收系数,这导致大量的激光发生发射,又因为大多数激光器的使用场景均为垂直于材料或者少量倾角,从而导致回返激光重新进入输出头,甚至部分回返光耦合进入传能光纤,沿光纤反向传输至激光器内部,使得激光器内部核心部件持续高温。

 

图1 常见金属元素激光吸收系数

 

新型QBH光纤输出头

高反测试

 

针对高反问题,锐科激光设计新型QBH光纤输出头,能够高效的将不可控的回返光转换为可以吸收的光和热,同时提升输出头的吸热和散热能力,从而能最大程度的避免回返光对内部元器件的影响。为了验证新型光纤输出头性能,对于装配该输出头的RFL-A1500D激光器进行高反测试,整体的测试思路为模拟用户使用环境,甚至要超出实际工况。

 

对于新型RFL-A1500D激光器在焦点位置处,90°垂直于紫铜表面进行焊接(注:正常紫铜焊接时,一般都不会进行垂直焊接,该试验是为了以最严苛的试验条件检验激光器抗高反能力),测试中设置450W、550W等每次递增100W的激光功率,直至满功率1500W输出,测量每隔一段时间核心器件的温度变化。

 

 

图2 紫铜抗高反测试

 

 

如图2所示,在紫铜表面进行激光焊接,由于紫铜较低的激光吸收率以及较高的导热性能使得紫铜表面一直处于镜面状态,源源不断的激光回返至光纤输出头,进而验证新型光纤输出头抗高反能力。

 

新型QBH光纤输出头的

半导体激光器

具有极高的抗高反性能

 

测试持续出光200min不同功率下,激光器内部核心元器件温度变化,如图3所示。根据上述结果可以发现,虽然激光器出光功率不断增加,但是对于核心器件包括器件1、器件2、器件3一直处于正常工作温度。正常的工作温度表明核心元器件未明显受到回返光的影响,从而体现出新型QBH光纤输出头强大的剥除回返光性能。

 

图3 不同功率下各零件最高温度随功率变化的曲线

 

为进一步检测半导体激光器的抗高反能力,提高出光功率测试,对各个核心元器件进行更加详细的测试,结果如图4所示。在高于1000W功率时,从图4中可以看出:

 器件1的温度与前面测试结果类似,温度维持在33.9℃~39.3℃之间;

 对于器件2,温度主要在30℃~35℃区间浮动;

 对于器件3,主要在35℃~40℃区间;

 器件4温度稳定在33.3℃~38.8℃区间,无进一步增加趋势,对于机器的正常运行无影响。

 整体上看,机器内部的核心部件的运行温度始终保持在30℃~40℃之间。

 

图4 高功率下各零件的温度随时间的变化曲线

 

为了更加深入测试该款激光器与传输光纤长时间抗高反稳定性,继续延长出光时间进行测试,结果如图5所示。可以看出,满功率1.5kW连续出光1200min的激光器各部件温度趋于稳定,无明显上升变化,高反测试后检测激光器功率也未发现衰减,由此表明装备新型QBH光纤输出头的半导体激光器具有极高的抗高反性能。

 

 

图5 功率为1.5kW出光时间1200min内

各部件温度变化

 

接下来,我们又考虑到半导体激光主要用于新能源行业,搭配光纤激光器形成复合光束焊接铝合金。对此,我们又测试该激光器正焦点位置垂直于铝合金焊接的高反情况,结果如图6所示。

 

 

 

图6 满功率出光加工铝合金激光器各部件温度变化

 

方形电池顶盖封口焊

 

 

动力电池防爆阀焊接

 

 

在实际工业生产中,由于光纤激光器的使用使得铝合金表面发生明显的融化,对于激光的反射率将会大幅度下降,但是为了防止一些极限场景的出现,我们只是使用单一的半导体激光器测试,让激光器面临更加严峻的考验,结果仍然是一如既往的稳定,从整体上看,无论是器件3、器件4、还是器件5部分,温度均低于35℃,几乎与加工非高反材料温度变化一致。根据以上结果可以看出,装有新型QBH输出头光纤激光器在加工高反材时,回返光对激光器使用寿命的影响微乎其微

 

 

 

 

 

 

 

 

三图为不同器件的

 

测量温度

 

 

 

常规半导体激光器在加工高反材料过程中抗高反阈值较低,缩短了激光器的使用寿命,甚至造成激光器核心部件的烧毁。

 

锐科激光设计的新型QBH光纤输出头(iHQB),从源头剥除回返光,实际测试表明,满功率状态下正焦点位置在紫铜表面长时间出光,半导体激光器完全可以正常运行,核心部件温度不升高,激光器功率不衰减;在铝合金表面测试时核心部件的运行温度与加工非高反材料时表现一致。在焊接高反材料时,具有极高的抗高反性能。