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纳秒脉冲光纤激光器:远不止于打标

来源:荣格 发布时间:2018-10-10 599
工业激光激光设备零部件光学材料与元件 技术前沿
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纳秒(ns)脉冲红外光纤激光器的多功能性众所周知,它们是大多数工业标识和雕刻应用的理想选择。脉冲光纤激光器通常功率不超过100W,单脉冲能量在几个毫焦以内,它的高脉冲重复频率与连续激光(CW)和准连续激光(QCW)有明显的区别。最近,它们又开始应用于各种微加工和激光表面加工中,甚至还包括远程微切割应用。这些应用中绝大多数都会涉及到材料去除。基于这个前提,考虑到用于材料连接的光源并不一样。那么采用相同的光源来连接材料,同时也能进行去除、烧蚀、雕刻、切割和标识,这才是真正令人印象深刻的最灵活的激光器。

纳秒(ns)脉冲红外光纤激光器的多功能性众所周知,它们是大多数工业标识和雕刻应用的理想选择。脉冲光纤激光器通常功率不超过100W,单脉冲能量在几个毫焦以内,它的高脉冲重复频率与连续激光(CW)和准连续激光(QCW)有明显的区别。最近,它们又开始应用于各种微加工和激光表面加工中,甚至还包括远程微切割应用。这些应用中绝大多数都会涉及到材料去除。基于这个前提,考虑到用于材料连接的光源并不一样。那么采用相同的光源来连接材料,同时也能进行去除、烧蚀、雕刻、切割和标识,这才是真正令人印象深刻的最灵活的激光器。

SPI G4系列风冷脉冲光纤激光器可以保证客户在设备制造当中可以进行无缝集成,并且能够进行多任务的紧凑型的光纤激光器对于用户来讲,好处显而易见。传统观点认为,焊接和连接需要具有高脉冲能量的毫秒级长脉冲,但显然并不是这样!这种类型的激光材料连接能力鲜为人知,但是它们在连接超薄材料时的表现非常出色。

紧凑型SPI 100W 纳秒水冷式光纤激光器

紧凑型SPI 100W 纳秒水冷式光纤激光器

在全球范围内,消费类电子产品、能量储存和医疗设备等行业需要在越来越小的体积和高密度包装内加入更多的功能。因此也更需要高效的制造技术来帮助这些产品成为现实,本文将着重讲述激光焊接技术。所以,借助工业(纳秒红外光纤)激光器实现的这种生产技术,可以提供所需的高可重复性、精确性和生产能力,其中最重要的还有低成本(成本和维修),因此能满足市场的需求。

根据不同的应用领域,各种类型的激光器都有着不同的优势,包括脉冲YAG激光器、碟片激光器、光纤(CW 和 QCW)激光器、甚至二极管激光器。到目前为止,纳秒脉冲激光器仅用于少数尖端的应用中,不过情况正在发生变化,最近开始将纳秒光纤激光器应用于材料连接上。

SPI是率先将主控振荡器功率放大器(MOPA)引入到纳秒光纤激光器的先锋,而这也已被证明是一种非常多用途的工具,因为它能根据应用的要求来控制和调整脉冲的参数。这主要是通过改变脉冲持续时间和脉冲频率来实现的,促使一些激光源能够在3ns-500ns秒内工作。它们还能在脉冲和连续波模式之间切换,这也是一个非常重要的特点,因为具有在一系列不同光束质量的光源范围内的可用性,从而能根据当前的任务来提供不同的工具。在平均功率和峰值功率范围内,这种激光器可以在毫秒范围内调制,以适用于需要低平均功率的毫秒级脉冲的应用。

塑料焊接

以塑料焊接作为例子,在一些对精度要求很高的应用中,例如微流体装置,使用光纤激光器将比其他激光源能获得更多优势。因为在焊接过程中,有时候光斑的能量分布对焊接结果会造成一定的影响。例如,在一个复杂的医疗设备中,要将一个透明的聚合物焊接到一个黑色的聚合物上,需要将M2=3的CW激光器调制到40W。“它能让我按照所需要的那样来控制光斑尺寸、能量分布和场深度。”Okay Industries 公司(康涅狄格州,新英格兰)激光技术总监Joe Lovotti评论说。

用 40WHS-H 激光器对胰 岛素注射器进行塑料焊接

用 40WHS-H 激光器对胰岛素注射器进行塑料焊接

丝焊

在金属焊接方面,医疗器械行业中的微连接应用越来越普遍,这即使是对于最出色的应用工程师来说也是一种挑战。细金属丝的连接正是这样一个例子。CW光纤激光器在这个领域已经获得了广泛应用。然而,随着金属丝变得越来越细,对于热输入控制的相关的问题也更加棘手。在进行50μm直径的成卷焊丝焊接时就具有极大的挑战。通过在较高的重复频率下操作激光器来压制脉冲的峰值功率,创造更多具有<0.1mJ的脉冲和频率大于250kHz的准连续波调制(QCW),这归根结底就是创造出短的脉冲串。最终,用 20W、M2 <1.6 的激光来实现集中的聚焦焊接可以带来良好的效果。

有些应用需要将一个外覆层或编织层连接到一根金属丝上。我们发现在这种情况下,能量分布较广的脉冲能实现两个部件之间更好的连接。在此示例中,使用40W M2=3的激光器具有较大的光斑和较高的脉冲能量(大于1.25mJ),能够运行有一定的间隙进行连接。

上:用250kHz、20WEP-Z 激光器焊接直径50μm 的金属丝,
左下:用 20WEP-Z 激光器焊接热电偶。右下:用 40WHS-H 激光器焊接编织层和金属丝,


另一方面,使用 20W、M2 <1.3的单模激光器能实现极高的精度焊接。一个例子是焊接直径 12μm 的细异种金属丝,并成功地将它们连接成为热电偶。在这种应用中要想实现预期的效果,跳汰选和视觉系统与激光器同样重要。

锡焊

对于锡焊,通常使用CW或直接二极管激光器,但在热输入比较关键的应用中,可以考虑脉冲激光器。通过在高重复频率下使用长脉冲,可以提高能量利用效率,减少热损伤的风险。通过使用光束扫描传输系统,可以将激光能量沉积在一个较大的目标区域上,这样,本示例中的金/锡焊锡膏就只会在接触的位置熔化。

用500kHz、40WHS-H 激光器进行锡焊

用500kHz、40WHS-H激光器进行锡焊

金属的焊接和连接

利用纳秒脉冲激光器来金属材料的焊接时需要仔细调整脉冲参数和工艺设置,从而真正实现效果良好的连接。毕竟,这些类型的脉冲通常主要应用在去除材料上,而不是熔化并重新凝固。脉冲光纤激光器具有足够大的峰值功率和脉冲能量,但能通过增加脉冲频率修改这些特性。这样可以减少峰值功率,并且使输出更接近 准连续的脉冲,同时又能保持激光的平均输出功率。

在这种较高的频率下,脉冲对材料的作用从烧蚀转而更接近于熔化。优化后的焊接效果明显变化,在下面的示例中可以看到使用70W激光器在不锈钢薄板上焊接直径为6mm的园环。在70kHz下使用250ns、1mJ的脉冲,其结果极其粗糙并且高度氧化(a)。保持所有的参数不变,只是提高脉冲频率,可以看出焊接结果得到了明显的改善。通过将频率加倍至140kHz,脉冲能量减半至0.5mJ,可以看到粗糙程度和氧化情况得到极大的改善(b),再将频率提高至 500kHz并降低脉冲能量至0.15mJ以下,便可以获得光亮的焊缝,甚至不需要保护气体(c)。通过采用这种技术,有可能实现250μm的搭接焊缝。

不同频率下使用250ns 脉冲所实现的板上堆焊。

不同频率下使用250ns 脉冲所实现的板上堆焊。

通过使用摆动(wobbling)技术来扩大焊缝并改善焊缝熔深(影响焊接速度)可以进一步改进焊缝形状。

在不锈钢与不锈钢之间的焊缝上进行了试验,显示在完整的0.5mm搭接焊缝中的两个1mm焊缝,其剪切强度超过了224磅。在一项对5mm长、1mm宽的直线焊缝进行的180度剥离试验中,零部件在241磅时产生屈服。

70WEP-Z 激光器产生的不锈钢焊缝( 左) 及其剥离试验( 右) 显微图像。

70WEP-Z 激光器产生的不锈钢焊缝( 左) 及其剥离试验( 右) 显微图像。

事实上,此项技术可以应用于其他各种各样的金属中,例如钢、铝、甚至铜。将这种技术用于连接高反光材料时,需要调整脉冲,以提供足够的脉冲能量来耦合到材料中。通过使用一种螺旋式技术可以实现任何尺寸的点焊,例如,可以用 70W-EP-Z 激光器创建3 个1mm 的焊接点以连接两个150μ m 厚的铜箔。那么,接下来面对的挑战就是连接不同的金属。

异种金属焊接

在电子和电池应用中最常见的需求是将薄铜箔和铝连接起来。为了应对这一挑战,SPI的应用团队投入了紧张的研究中。他们很快就宣布有了进展,当被问及焊缝有多牢固时, 他们展示了一张12磅静负载下焊缝的图片。

右:12 磅静负 载;左上:铜铝 点焊;左下:拉 伸试验结果。

右:12 磅静负载;左上:铜铝点焊;左下:拉伸试验结果。

事实上,最近在拉伸试验上进行的检测试验显示,在90度剥离试验中,该铜铝连接在26磅的剪切力下会失败,在 6磅时会产生屈服。焊缝完好无损。

采用20WHS-S 激光器焊接不 锈钢与钛箔。

采用20WHS-S激光器焊接不锈钢与钛箔。

更具挑战性的异种材料焊接能用于实际的商业应用中。“仅仅使用 20W 单模纳秒脉冲激光器就能让我们很好地控制热输入和焊缝的几何形状,特别是在极具挑战性的微焊接应用中,例如将0.1mm不锈钢箔和0.25mm钛箔的连接。”美国Amada Miyachi公司的Geoff Shannon博士表示。

金属以及无机非金属材料切割

对于光纤激光切割而言,传统的连续光纤激光大体只能进行不锈钢、碳钢、铝合金等金属材料的切割。然而,现在工业上对于薄板金属切割的效果要求愈发严格,SPI实验室近期根据市场实时的需求,正在开发脉冲激光器进行金属及非金属材料的系统切割测试。

左上:70W-EP-Z 脉冲激光器;行0.1mm厚度钛切割;右上:70W-EP-Z 脉冲激光器进行0.3mm 厚度铜切割; 左下:70W-EP-Z 脉冲激光器进行0.4mm 厚度氧化铝陶瓷切割

测试结果表明,基于脉冲激光器更高的峰值功率,脉冲激光器不仅可以进行传统金属材料的切割,同时也能够进行高亮金属材料以及无机非金属材料的切割。脉冲激光器在金属材料切割当中相较于连续激光器可以得到更优异的切割边缘效果,同时也更新了对于无机非金属材料的传统的加工方法。

动力电池极片清洗、钻孔及切割

随着新能源锂电池行业的快速发展,越来越多的激光加工工艺参与到动力电池的制造当中。脉冲光纤激光器因优异的光束质量在动力电池的极片制造当中起到了关键的作用。脉冲激光器因为其良好的脉冲能量稳定性,可以应用在8um厚度的铜箔上进行50-60um厚度的涂覆层的清洗而不伤及箔材。

左上:200W-EP-Z 脉冲激光器进行动力电池负极片清洗;
右上:200W-EP-Z 脉冲激光器进行8um 厚度铜钻孔;
左下:200W-EP-Z 脉冲激光器进行电池正极陶瓷层切割;
右下:200W-EP-Z 脉冲激光器进行正极片切割


另一方面,通过工艺的优化,使用相同的一台激光器同时也可以进行电池极片铜箔和铝箔的钻孔。极高的能量密度保证了钻孔的质量,同时激光器4MHz的脉冲重复频率保证了客户对生产效率的要求。

在锂电池极片的切割工艺中,相比于传统的刀模切割工艺,SPI MOPA结构的高功率200W脉冲光纤激光器具有40+波形,单个脉冲连续可切换性,近单模的光束质量使用其进行极片切割具有更多的优点,可以满足客户对产品更高的品质,可靠性和经济性的需求。

这种多用途工具的引入可以简化生产线,因而在诸如医疗设备制造这样的行业中得到了迅速发展。“这些光纤激光器是一种革命性的工具,可以采用纳秒脉冲来切割、刻蚀、研磨,并且能用多毫秒脉冲来焊接,这些工序全部能用同一台激光器在同一生产活动中完成。”Laser Mark's 公司的 Mark Brodsky 评论说。

小结

本文介绍了从塑料连接和锡焊到金属薄板焊接和丝焊的多种应用,事实证明在这些应用中,使用纳秒脉冲光纤激光器是一种替代常规毫秒脉冲 YAG 和调制CW 激光源的出色解决方案。这些激光器在多工艺制造中的良好表现进一步证明了它们的多功能性。如果您有合适的微焊应用,也许您应该考虑使用纳秒脉冲光纤式激光器。

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