碟片激光器及其在工业中的应用.pdf

2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser Disk Lasers and their Applications in Industrial Manufacturing 成成成成 勇勇勇勇 应用技术经理应用技术经理应用技术经理应用技术经理 通快通快通快通快（中国中国中国中国）有限公司有限公司有限公司有限公司 碟片激光器及其在工业中的应用碟片激光器及其在工业中的应用碟片激光器及其在工业中的应用碟片激光器及其在工业中的应用 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser2 内容提要内容提要内容提要内容提要 ?为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质？ ?通快通快通快通快（TRUMPF）碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 ?TruDisk Laser 系列产品系列产品系列产品系列产品 ?通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点 ?碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser3 为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质？ 弧光灯弧光灯弧光灯弧光灯 棒状激光晶体棒状激光晶体棒状激光晶体棒状激光晶体 ? ? ? ? ? ? ? ? ?灯泵浦棒状晶体激光器 激光二极管激光二极管激光二极管激光二极管 碟状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体 Beam quality Efficiency ?二极管泵浦碟片激光器 Beam quality Efficiency 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser4 r T 侧面光泵浦侧面光泵浦侧面光泵浦侧面光泵浦 冷却冷却冷却冷却（径向径向径向径向 热传导热传导热传导热传导） 二维热传导导致晶体棒内二维热传导导致晶体棒内二维热传导导致晶体棒内二维热传导导致晶体棒内 呈抛物线或高斯型温度分布呈抛物线或高斯型温度分布呈抛物线或高斯型温度分布呈抛物线或高斯型温度分布 突出缺点突出缺点突出缺点突出缺点： 热透镜效应热透镜效应热透镜效应热透镜效应（Thermal lensing effect） 晶体内抛物线温度分布 热致双折射效应热致双折射效应热致双折射效应热致双折射效应（Thermal or stress- induced birefringence) 热应力导致晶体折射率变化 晶体形变晶体形变晶体形变晶体形变 热得不到有效冷却导致晶体形变 转换效率低转换效率低转换效率低转换效率低，光束质量较差光束质量较差光束质量较差光束质量较差，且热效应且热效应且热效应且热效应 随泵浦能量变化而变化随泵浦能量变化而变化随泵浦能量变化而变化随泵浦能量变化而变化。运行费用高运行费用高运行费用高运行费用高。 激光激光激光激光 棒状激光晶体 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser5 碟状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体 r T 正面光泵浦正面光泵浦正面光泵浦正面光泵浦 碟片晶体背面冷却碟片晶体背面冷却碟片晶体背面冷却碟片晶体背面冷却 显著优点显著优点显著优点显著优点： 碟片晶体很薄碟片晶体很薄碟片晶体很薄碟片晶体很薄，晶体得到晶体得到晶体得到晶体得到 有效而即使冷却有效而即使冷却有效而即使冷却有效而即使冷却。 一维一维一维一维热传导热传导热传导热传导，晶体棒内温晶体棒内温晶体棒内温晶体棒内温 度分布均匀度分布均匀度分布均匀度分布均匀。 克服了棒状晶体的热效应问克服了棒状晶体的热效应问克服了棒状晶体的热效应问克服了棒状晶体的热效应问 题题题题。光束质量和转换效率大光束质量和转换效率大光束质量和转换效率大光束质量和转换效率大 大提高大提高大提高大提高。运行费用显著减少运行费用显著减少运行费用显著减少运行费用显著减少。 激光激光激光激光 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser6 棒状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体碟状激光晶体 r T r T 侧面光泵浦侧面光泵浦侧面光泵浦侧面光泵浦 正面光泵浦正面光泵浦正面光泵浦正面光泵浦 碟片晶体背面冷却碟片晶体背面冷却碟片晶体背面冷却碟片晶体背面冷却 冷却冷却冷却冷却（径向径向径向径向 热传导热传导热传导热传导） 二维热传导导致晶体棒内二维热传导导致晶体棒内二维热传导导致晶体棒内二维热传导导致晶体棒内 呈抛物线型温度分布呈抛物线型温度分布呈抛物线型温度分布呈抛物线型温度分布 一维热传导使晶体棒内温度分布均匀一维热传导使晶体棒内温度分布均匀一维热传导使晶体棒内温度分布均匀一维热传导使晶体棒内温度分布均匀 激光激光激光激光 激光激光激光激光 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser7 Thermal lensing effect PPump 0 PPump 0 Refraction index: nYAG=1.82+7.3x10-6 T/K PPump 0 Rod disk Wavefront distortion! No wavefront distortion! 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser8 Disk / Fiber LPSS DPSS Beam quality of high power solid state lasers BPP mm mrad Output power kW Jan 2008: not published 15 kW nearly diffraction limited TruDisk Standard Products 2008 TruDisk Standard Products 2009 5 10 15 20 25 51015202530 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser9 内容提要内容提要内容提要内容提要 ?为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质？ ?通快通快通快通快（TRUMPF）碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 ?TruDisk Laser 系列产品系列产品系列产品系列产品 ?通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点 ?碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser10 8 kW 碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser11 8 kW 碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 ResonatorResonator 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser12 1 kW 碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 泵浦装置 泵浦模块 装碟片晶体的腔体 谐振腔 激光功率控制 导光系统 光导纤维接口 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser13 1 端镜 碟状晶体 腔体 1 2 34 5 8 6 7 折射棱镜 抛物状镜 输出耦合镜 激光束 泵浦光束 1 碟状晶体的泵浦碟状晶体的泵浦碟状晶体的泵浦碟状晶体的泵浦 一束泵浦光途经碟片晶体20次！ 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser14 内容提要内容提要内容提要内容提要 ?为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质？ ?通快通快通快通快（TRUMPF）碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 ?TruDisk Laser 系列产品系列产品系列产品系列产品 ?通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点 ?碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser15 TruDisk Laser 系列产品系列产品系列产品系列产品 3001210TruDisk 10003 200 200 200 200 200 200 200 50 LLK m 88TruDisk 8002 86TruDisk 8002 （6 kW） 86TruDisk 6002 84TruDisk 4002 83TruDisk 4002 （3 kW） 83TruDisk 3002 82TruDisk 2002 21TruDisk 1000 BPP mm*mrad Power* kW * Laser Power work piece TruDisk 1000 TruDisk 8002 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser16 碟片激光器的输出功率与碟片晶体数量的关系碟片激光器的输出功率与碟片晶体数量的关系碟片激光器的输出功率与碟片晶体数量的关系碟片激光器的输出功率与碟片晶体数量的关系 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Number of disks Output power in kW 1234 2008/2009 4 kW / disk Jan. 2007 2 kW / disk Juli 2006 1,5 kW / disk Jan. 2004 1 kW / disk Jan. 2008 2,5 kW/ disk 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser17 内容提要内容提要内容提要内容提要 ?为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质？ ?通快通快通快通快（TRUMPF）碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 ?TruDisk Laser 系列产品系列产品系列产品系列产品 ?通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点 ?碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser18 通快通快通快通快（TRUMPF）碟片激光器的特点碟片激光器的特点碟片激光器的特点碟片激光器的特点 1模块式结构模块式结构模块式结构模块式结构 ?精密设计，高度可靠。所有元件均 可在客户现场迅速更换。 ?结构紧凑。冷却机和导光系统与激 光源集成在一起。 ?占地面积小 ?安装调试快 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser19 2. 标准化的极好光束质量标准化的极好光束质量标准化的极好光束质量标准化的极好光束质量 标准化的光束质量标准化的光束质量标准化的光束质量标准化的光束质量 ? 对于所有 2 kW 8 的TruDisk 激光器，BPP 均为8 mm mrad。 ? 不随运行模式的变化而改变。、 ? 与TRUMPF所有光学元件兼容 极好光束质量极好光束质量极好光束质量极好光束质量 ? 非常适合各种大功率激光应用非常适合各种大功率激光应用非常适合各种大功率激光应用非常适合各种大功率激光应用，无论是无论是无论是无论是 ? 高速切割，还是 ? 远程焊接 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser20 2. 谐振腔内泵浦光和受激辐射光的光斑尺寸较大谐振腔内泵浦光和受激辐射光的光斑尺寸较大谐振腔内泵浦光和受激辐射光的光斑尺寸较大谐振腔内泵浦光和受激辐射光的光斑尺寸较大 ? 因此各光学元件上承受的光功率密度较小因此各光学元件上承受的光功率密度较小因此各光学元件上承受的光功率密度较小因此各光学元件上承受的光功率密度较小。 - 典型的功率密度: 谐振腔 0,5 MW/cm2 耦合光纤 30 MW/cm2 - 典型的损毁阈值: 光学镀层 500 MW/cm2 石英 2-3 GW/cm2 ? 在如此低的功率密度下不会造成光学元件的在如此低的功率密度下不会造成光学元件的在如此低的功率密度下不会造成光学元件的在如此低的功率密度下不会造成光学元件的 损坏损坏损坏损坏，也不会产生非线性效应也不会产生非线性效应也不会产生非线性效应也不会产生非线性效应，从而确保了从而确保了从而确保了从而确保了 运行的稳定可靠性运行的稳定可靠性运行的稳定可靠性运行的稳定可靠性。 Dp DP Pumped Spot 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser21 3. 激光功率实时反馈控制激光功率实时反馈控制激光功率实时反馈控制激光功率实时反馈控制 因此因此因此因此，TruDisk 激光激光激光激光： ? 到达加工件上的功率恒定 ? 加工结果极好的可重复性 ? 回射激光（ Back reflections）对激光器 没有任何影响 ? 预热时间几乎为零 （No warm-up time） ? 可调功率范围 1% 100% Zeit Laserleistung ungeregeltgeregelt ungeregelt (gealtert) Echtzeit- Laserleistungs- regelung REGLER (PID) Korrekturwert idealer Laser I stwert Laserleistung Sollwert Laserleistung +- Laser- Nach- bildung Real time- laser power- feedback control Laser power 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser22 4 4 4 4. . . . 光纤可在激光器继续运行的状态下即插即用光纤可在激光器继续运行的状态下即插即用光纤可在激光器继续运行的状态下即插即用光纤可在激光器继续运行的状态下即插即用 (Hot Plug & Play) ? 无断机时间无断机时间无断机时间无断机时间 更换光纤时，关闭该光纤的光路，其它 输出光纤可继续工作，不必关机。光纤 更换操作简单，即插即用，无需对准 ? 激光安全得到德国的测试报告保证激光安全得到德国的测试报告保证激光安全得到德国的测试报告保证激光安全得到德国的测试报告保证 “Berufsgenossenschaft” LB 040.10/05-458/05249 ? 设计精确简单设计精确简单设计精确简单设计精确简单，即插即用无需任何工具即插即用无需任何工具即插即用无需任何工具即插即用无需任何工具 ? 接口处具有防尘装置接口处具有防尘装置接口处具有防尘装置接口处具有防尘装置，严密防止灰尘从严密防止灰尘从严密防止灰尘从严密防止灰尘从 光纤连接处进入光学元件区域光纤连接处进入光学元件区域光纤连接处进入光学元件区域光纤连接处进入光学元件区域 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser23 5 5 5 5. . . . 安全可靠安全可靠安全可靠安全可靠 加工可靠性加工可靠性加工可靠性加工可靠性： ? 加工过程中，即使材料反射率很大，以致 有激光回射到激光器内，对于激光器本身 以及加工效果均无影响 ? 对材料加工无任何限制 ? 对光纤长度无限制 操作安全性操作安全性操作安全性操作安全性: Certification by German BG ? 操作安全性通过德国 “ Berufsgenossenschaft ” 的认证 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser24 6 6 6 6. . . .泵浦二极管模块更换简单迅速泵浦二极管模块更换简单迅速泵浦二极管模块更换简单迅速泵浦二极管模块更换简单迅速 泵浦二极管模块故障泵浦二极管模块故障泵浦二极管模块故障泵浦二极管模块故障: : : : ? 即时突发意外故障也不会减少功率 ? 有计划更换也无需停机 ? 泵浦二极管模块保修期: 3 yr / 20.000h 生产现场更换生产现场更换生产现场更换生产现场更换泵浦二极管模块泵浦二极管模块泵浦二极管模块泵浦二极管模块: ? 无需培训 ? 无需工具 ? 只需三分钟 ? 无需对准或调试 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser25 7 7 7 7. . . .外围装置及网络系统外围装置及网络系统外围装置及网络系统外围装置及网络系统 控制界面控制界面控制界面控制界面: ? Ethernet ? Fieldbus with MPI ? Light path-coding ? Safety circuit ? TRUMPF LASERNETWORK (TLN) 灵活连接多个工作站多台激光器灵活连接多个工作站多台激光器灵活连接多个工作站多台激光器灵活连接多个工作站多台激光器 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser26 8 8 8 8. . . . 行之有效的工业应用整体解决方案行之有效的工业应用整体解决方案行之有效的工业应用整体解决方案行之有效的工业应用整体解决方案 TRUMPF 提供提供提供提供: ? 激光器激光器激光器激光器 ? 导光系统导光系统导光系统导光系统 (多达多达多达多达6个输出光路个输出光路个输出光路个输出光路) ? 光纤光纤光纤光纤 ? 光学元件及附件光学元件及附件光学元件及附件光学元件及附件 (光束开关光束开关光束开关光束开关, 分光装置分光装置分光装置分光装置, 切割头切割头切割头切割头, 焊接焊接焊接焊接 头头头头，远程焊接扫描头远程焊接扫描头远程焊接扫描头远程焊接扫描头, 加工监视摄像头加工监视摄像头加工监视摄像头加工监视摄像头, 送丝装置送丝装置送丝装置送丝装置, ) ? TRUMPF 标准接口标准接口标准接口标准接口 (parallel, serial, TLN, Fieldbus, etc.) ? 技术支持技术支持技术支持技术支持 (强大的研发队伍强大的研发队伍强大的研发队伍强大的研发队伍，实验室实验室实验室实验室，加工数据加工数据加工数据加工数据， KNOW HOW，) 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser27 内容提要内容提要内容提要内容提要 ?为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质为什么采用碟状晶体作为激光工作物质？ ?通快通快通快通快（TRUMPF）碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构碟片激光器的结构 ?TruDisk Laser 系列产品系列产品系列产品系列产品 ?通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点通快碟片激光器的特点 ?碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser28 碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例碟片激光器的应用举例 ?TruDisk 1000 8002 的焊接曲线的焊接曲线的焊接曲线的焊接曲线 ?机器人扫描焊接机器人扫描焊接机器人扫描焊接机器人扫描焊接（远程焊接远程焊接远程焊接远程焊接，飞行焊接飞行焊接飞行焊接飞行焊接） ?焊接应用焊接应用焊接应用焊接应用 ?激光复合焊接激光复合焊接激光复合焊接激光复合焊接 ?切割应用切割应用切割应用切割应用 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser29 Schweien mit TruDisk 8002, TruDisk 6002, TruDisk 4002 0 5 10 15 20 25 02468101214 Einschweitiefe in mm Schweigeschwindigkeit in m/min P = 8 kW P = 6 kW P = 4 kW Werkstoff : Baustahl Fokussieroptik: PFO33 Fokusdurchmesser: 0,6 mm TLS259oy 05.03.2007 TruDisk 4002, TruDisk 6002, TruDisk 8002 的焊接曲线的焊接曲线的焊接曲线的焊接曲线 焊接速度焊接速度焊接速度焊接速度 m/min 焊接深度焊接深度焊接深度焊接深度 mm 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser30 Welding with TruDisk 8002 TruDisk 6002 TruDisk 4002 TruDisk 2002 0 5 10 15 20 25 02468101214 Welding Depth in mm Welding Speed in m/min P = 8 kW P = 6 kW P = 4 kW P = 2 kW Material: Mild Steel Focusing Optics: CFO50 Focus Diameter: 0,28 mm TLS259oy 25.05.2007 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser31 Welding with TruDisk 1000 0 5 10 15 20 25 0,00,51,01,52,02,53,03,54,0 Welding Depth in mm Welding Speed in m/min P = 1000 W P = 300 W Material: Mild Steel Focusing Optics: CFO50 Focus Diameter: 50 祄 TLS259oy 19.04.2007 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser32 机器人扫描焊接机器人扫描焊接机器人扫描焊接机器人扫描焊接（远程焊接远程焊接远程焊接远程焊接，飞行焊接飞行焊接飞行焊接飞行焊接） 激光光导纤维 TruDisk4002 PFO 33（可编程 聚焦光学系统） 待加工工件 机器人 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser33 焊缝几何形状焊缝几何形状焊缝几何形状焊缝几何形状: #3 #6 #2 机器人编程机器人编程机器人编程机器人编程 Optional, one can weld without synchronized motion Source: Kuka 飞行焊接飞行焊接飞行焊接飞行焊接（Welding-on-the-Fly） 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser34 Laser Scanner Welding Door: Mercedes Benz C- Class C- shape GeometryLinear Geometry 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser35 RSW （电阻点焊电阻点焊电阻点焊电阻点焊）: 34+ 装卸时间 4 机器人, 5 焊枪 加工时间: 34.7 秒 激光扫描焊接激光扫描焊接激光扫描焊接激光扫描焊接: 34 + 装卸时间 1机器人, 1 扫描光学头 加工时间: 13秒 Source: Volkswagen AG 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser36 Benefit of Laser Scanner Welding: Flange width reduction Time for design:1,5 days Welding: Laser Seam length: 700 mm Welding time:6s Weight:0,96 kg Application of high strength steel! Time for design:78 days Welding: RSW No. of welds: 16 mm Welding time:60s Weight:1,4 kg 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser37 焊接座椅部件焊接座椅部件焊接座椅部件焊接座椅部件 加固件 框架 后座嵌板 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser38 激光焊接铜激光焊接铜激光焊接铜激光焊接铜 作用在工件上的激光功率16.5 kW 穿透深度5.17 mm 焊接速度:1.8 m/min 拼接:4 x 1.5 mm 材料:E- Copper 4 layers of 1.5 mm E- Copper 200 m 600 m FFC 8 kW6 kW4 kW 200 m200 m 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser39 TruDisk 8002 / 4002 焊接厚钢板焊接厚钢板焊接厚钢板焊接厚钢板 ?低碳钢 ?v = 10 m/min TruDisk 8002TruDisk 4002 ?不锈钢 ?6mm ?v = 6 m/min Kundenmuster Fa. Schweiung am I-Sto TruDisk 8002 Mat.: 1.4301, t=6 mm 8kW, f=200 v= 6 mm/min, Argon, 30l/min 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser40 激光焊接汽车动力系部件激光焊接汽车动力系部件激光焊接汽车动力系部件激光焊接汽车动力系部件 （Power Train） 激光焊接套筒连接轴激光焊接套筒连接轴激光焊接套筒连接轴激光焊接套筒连接轴 TruDisk 6002 激光功率:3000 W 速度:3 m/min 光束入射角:83 直径: 65 mm 焊深:3 mm 2009 激光技术论坛3月17-19日TRUMPF Disk Laser41 Teil 3 - Differential 0 100 200 300 400 500 600 -2,5-2,0-1,5-1,0-0,50,00,51,01,52,02,5 Position / mm Hrte HV 1 Welle: GGG 60Tellerrad: 16MnCr5 功率:3500 W 速度:2 m/min 光束入射角:90 焊深:3,2 mm 填充焊丝 (0.8):NiBAS 70/20 送丝速度:6,7