通快PFO：独特的光束传输和加工工具

1、通快 PFO ：独特的光束传输和加工工具本文介绍固体激光器（ SSL ）的三类光束传输方式及加 工光路，介绍了如何通过使用反射光路来减少热焦点偏移； 通过采用双同轴芯光缆能使同一光纤传输两种不同质量的 光束，光束质量的改进将如何以一种创造性的方法来提升激 光器的灵活性；高质量光束如何更好地利用振镜扫描光路以 完成远程焊接。控制热焦点偏移 当激光束的波长为 1 微米 时，保持光路表面洁净非常关键。由于固体激光器的波长比 二氧化碳激光器短很多，光路中即便是一个很小的微粒，也 会造成重大损害或者功率损耗。如果将一个带相机的零度角 （直线型）加工头和一个带照相机的 90 度角（直角）加工 头做比较，很

2、容易看到热焦点偏移的效果。在零度角配置的 情况下，为了将可见光反射给相机，需要在透镜和准直仪之 间增加一个穿透式光学板。而在 90 度角配置时，为了反射 激光波长和将可见光传递给相机，需要涂覆呈直角形的光路。 在穿透式镜片里，激光光束穿过光学材料，大约2% 的能量会被疏松物质和镜片表面吸收，即便是洁净且精心设计的镜 片也不例外。可以预想，1000 瓦特的 2% 是相当容易控制的， 但是 16000 瓦特的 2% 却难以从材料中消除，因为材料在热 消除特性方面不是特别易于传导热量。另一方面，反射式镜 片能够将几乎所有的能量都反射出去，只在涂层和表面上有 些许损耗，一般不超过 0.3% ，因此在光

3、学材料环节中损失 的热量非常少的。 对于大功率高负载率激光焊接应用来说， 反射式光学加工头是理想的选择。准直透镜和聚焦透镜都已 经被替换为反射式光路。而且，在反射式聚焦光路上涂覆了 涂层，使可见光传输至位于后面的相机。这让保护盖滑片成 为这种配置中唯一可透光的光学部件。图 1 显示了在大功率 应用中反射式光学配置和穿透式光学配置的对比结果。在图 中可以看到，热焦点偏移显著减少，特别是在与零度角（直 线型）穿透式配置相比时， 大功率级别减少了 75% 的热焦点 偏移。 双芯光纤对于许多焊接应用来说，期望的光束质量 是平顶形的光束波形，并使用相对大的光斑尺寸来传输中等 质量的光束。另一方面，激光切

4、割应用要求非常好的光束质 量，通常是高斯分布的波形，可以聚焦至小光斑尺寸。通过 使用适合某种应用的光束质量，就可以在最佳的聚焦点进行 加工，从而能在功率级别很大时继续保持高质量、快速和高 可重复性的焊接和切割，还能容许零件位置、高度和焦点偏 移稍有变化。要想达到这一目的，通常必须使用两根独立的 光纤。幸运的是，一种新型二合一光纤技术已经成为可能，在一 根光缆中包含两个同心圆的光纤芯径。在切割工艺中，激光 光束被定向穿过正中心 100 微米直径的芯， 产生高光束质量； 而在焊接工艺中，光束被定向穿过外层的芯（目前的可用直 径是 400 微米或 600 微米），从而能将最佳质量的光束传输 给工件。

5、这种二合一光纤非常适合激光加工系统，只需单根光纤就 能够将光束顺着轴线传送到加工头。这样就可以快速更换整 个加工头，还可以将切割喷嘴快速替换为焊接喷嘴。在切割 时，适当配置切割组件，激光光束就能进入中间的芯。在焊 接时，相应地配置加工头，激光器中的光学开关就会将光束 转移到二合一光纤的外芯环。图 2 显示了光纤开关如何工作， 并显示了分别在内芯 （直径 100 微米）和与外芯环（直径 400 微米）条件下，测定的光 强分布。 德国通快公司已经完成了新型二合一光纤与标准 单芯阶跃光纤之间的对比试验。在切割试验中，二合一光纤 内芯的切割速度、边缘质量与直径相同的标准阶跃光纤完全 一样。在通过外芯环

6、进行深度焊接时，与直径相同的常规阶 跃光纤的输出相比，焊缝和焊根的质量以及焊缝形状完全一 样。无论是切割还是焊接，二合一光纤都能安全可靠地获得 与常规阶跃光纤一样的加工结果。远程扫描焊接如今， 在 激光材料加工领域，多年来振镜扫描技术已经广受欢迎，主 要应用于二氧化碳激光打标系统和固定头系统。随着高光束 质量碟片激光器和光纤激光器的进步，扫描振镜已经快速扩 展至工业应用，伴随而来的是生产周期的缩减，系统设计简 化带来的成本降低以及大型的工作通道和更大的灵活性。激光通过光纤缆线传输到可编程聚焦镜组（ PFO ），随后和 其他类型的加工镜片一样，激光穿过准直仪生成最佳直径的 准直光束，从而能够使工

7、件获得高质量工艺特性，并使反射 镜和聚焦透镜上的能量密度最小。二维 PFO 的基本操作如下：在光束被准直后，会被镜片反 射偏离，同时镜片能将可见光回传至可选配的相机系统。接 下来，安装在精密振镜马达上的双镜组合会操控偏离的激光 光束， 将其对准工件， 每个镜片分别对应 X 轴和 Y 轴进行运 动，而被处理的部件保持静止不动。接下来，偏离的激光光 束会穿过一系列透镜（称为平场透镜组合） 。通过使用不同 类型的焦距，就可以创造一个区域，在这个区域里激光光束 焦点平面保持不变。如果在准直仪和第一个振镜镜片之间加 入马达透镜，还可以调节 Z 轴的焦点，从而创建一个三维的 工作区域。为什么使用 PFO ？对于小的部件，可以使用固定的部件， 将 PFO 安装在固定的位置，从而简化总体系统设计除 了 PFO 外，没有其它运动的部件。对于大小超过工作通道 的工件，可以将工件安装在固定装置上，提供一个简单的台 面，允许一次焊接半个甚至一个象限，接着转移工件，或者 可以将 PFO 安装在机械手上，能够覆盖很大的区域和不同 的角度。 与传统的固定镜片加工头相比， 焊接速度是一样的， 由于免去了定位时间（见图 3），工作效率得以提升。 当今最