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HAAS 25mm系列微加工光纤激光器加工头系统(0-500W)

HAAS 19mm与25mm
PHA系列激光加工头
应用视频

Laserline高功率半导体激光器
应用——淬火
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• Laserline官方网站
• HAAS官方网站
• 硅材料的光纤激光器切割
• Synrad激光器应用于贺卡切割
最新聚焦

激光焊接技术揭秘

        激光焊接几乎在每一个行业中都有用武之地,因为它具有很多优点,如焊接速度高,焊接周期短,输入热量低,热量影响区域小且畸变最小等。由于激光具有很高的准直性,几乎所有输出光的能量都集中在一个直径在千分之一数量级甚至更小的小光斑上。因此,如果想要在小面积上运用热能,激光将是最有效的方法。
        激光焊接有两种不同的方法:
        一种是低功耗热传导焊接,主要用于相对较薄的材料。

        在此方法中,激光光束沿接缝将配合在一起的工件的表面熔化,熔融物汇流到一起并固化,形成焊缝。此类应用多使用脉冲或连续波固体激光器。在热传导焊接中,能量仅以热传导的方式耦合到工件中,因此焊接深度只有从零点几毫米到1毫米。材料的最大焊接深度受其导热系数的限制,且焊缝宽度总是大于焊接深度。
        第二种是深熔焊。

        当高功率激光聚焦到金属表面时,热量来不及消散,就会形成金属蒸汽,此时焊接深度会急剧加深,此焊接工艺就是深熔焊。激光光束会在钻孔壁上多次反射,这样熔融物就能够吸收几乎全部的激光光束能量,因此,焊接效率就会提高。当激光光束沿焊缝移动时,工件内的小孔也会随之移动。与此同时,熔融物也在小孔周围流动,并随即固化,并产生了一个内部结构一致的深窄焊缝。焊缝的深度可达宽度的十倍,接近25毫米。由于深熔焊工艺加工速度极快,热影响区域很小,并且使畸变降至最低,因此此工艺可用于要求深度焊接或几层材料同时焊接的应用中。
        传统上,焊接操作使用两种类型的激光器:CO2和闪光灯泵浦YAG激光器。
        灯泵YAG激光器输出的光在近红外波段,输出波长主要是1.06um。这种光波长可以被大多数导电材料良好吸收,对大多数金属来说,其典型反射率约为20%至30%。使用标准光学系统就可以将近红外激光聚焦到直径.001″大小。这种激光器输出功率为300W,主要用于头传导焊接和深熔焊。
        另一方面,CO2激光器的输出波长为远红外波段(10.6um),对大多数金属来说初始反射率约为80%到90%,需要特殊光学系统才能将光束聚焦到最小为.003" 到 .004"的光斑直径。但是,由于CO2激光系统可以很容易达到1000W甚至更高的功率,因此,在深熔焊中,它可以弥补高反射率带来的不利影响。而且,只有在深熔焊刚开始时,金属的反射率才比较重要。一旦焦点附近的材料表面靠近熔点,反射率就会在几微秒内迅速下降。
        为了保护加热熔化的金属与大气隔离,会通过喷嘴系统将焊接气体导入工件。除此之外,焊接气体还可以保护聚焦光学元件免受烟雾和飞溅物的影响。如果使用的是CO2激光器,它还可以抑制等离子体形成。由于在钻孔熔化过程中,CO2激光特别容易被金属和气体等离子体吸收,所以焊接过程中,建议使用焊接气体或混合气体,以提高工艺稳定性。相反,焊接过程中使用短波长激光(1.06um),则不太容易形成等离子体,这是因为它更容易被金属工件吸收。

新产品动向 -用于激光焊接的高功率半导体激光器和光纤激光器

        基于高功率固态激光二极管和光纤包层技术的发展,输出功率大于200W的光纤激光器已经问世,并已开始 应用于除激光雕刻之外的激光焊接和其他表面激光处理工作方面。
       光纤激光器相比大体积CO2气体激光器具有许多优点。光纤激光器比闪光灯泵浦Nd: YAG激光器和CO2激光器结构更紧凑,质量更轻,且高效节能(电光转换效率高)。此外,光纤几何体增加了表面与体积比,这使得它更容易消散热量。因此,光纤激光器通常比闪光灯泵浦Nd: YAG激光器和CO2玻璃激光器更易于维护,这是因为闪光灯泵浦Nd: YAG激光器和CO2气体激光器需要非常昂贵的冷却系统。在长时间运作,光纤激光器比闪光灯泵浦YAG激光器输出光的可靠性和CW输出功率稳定性更高。当用于激光焊接作业方面时,尽管购买设备的初始成本较高,但光纤激光器相比闪光灯泵浦Nd: YAG激光器的激光寿命更长,从而可以降低拥有成本。而且由于光纤介质比YAG棒减小了热透镜效应,光纤激光器的光束质量更好。光纤激光器结合了CO2(光束质量好)和YAG(红外波长范围)激光器的优势,因此光纤激光器逐渐成为高反射率金属深熔焊接应用的主要光源。
       CO2激光器的输出波长为10.6µm,属于红外。通常,它可以产生一个直径几毫米的准直性好的高功率光束。当大多数金属不吸收CO2激光器的红外光时,高功率和小光束直径的结合就产生了启动深熔焊必要的功率密度。CO2激光器的缺点是它的电力效率低(输入电能转换成可用激光的量),这将转换成高的运营成本和对焊接气体的苛刻要求。此外,它产生的红外光不能通过光纤传输。这个因素使激光器系统体积大, 因此放置在实际生产装置中时会受到一定的限制。然而,高功率CO2激光器仍然是激光切割和钻孔应用中最经济有效的激光源。由于高分子材料对远红外波长的强烈吸收,它也是塑料焊接最好的激光。
       二极管激光器属于半导体设备,它直接将电能转换成激光(高能量效率)。通常,高功率二极管激光器输出的激光为近红外波长,最常见的是808nm或980nm。个别二极管激光发射器可以在单片半导体基片制造形成线阵,总输出功率可高达100W。多个二极管激光线阵可以水平和垂直堆叠而结合产生高功率直接发光激光系统,总输出功率在几千瓦的范围,此功率水平可以通过光纤传输。高功率二极管激光系统的激光输出很容易通过机器人进行操作,从而打开了此类焊接的三维(3D)应用,如金属外壳,水槽和车身的焊接。此外,它比CO2激光器更容易被金属表面吸收,因此光纤激光器/二极管激光器焊接对焊接气体的要求不太苛刻。在二极管激光器的波长范围内,可以根据应用(炽热,熔覆,焊接,表面硬化)设计光束转换光学系统,将输出的多模激光转换成高斯光束形状或Top-Hat光束形状。
       以下描述了在汽车工业喷油器的生产设施焊接中,光纤激光器焊接系统替代了闪光灯泵浦YAG激光器焊接系统。焊接过程是在深熔焊模式下进行,用此焊接工艺将薄金属连接起来是一项很大的挑战。光纤的灵活很好,因此光束传输夹具可以设计的很小。激光源是200W CW SPI redPower R4激光器。SPI光纤激光器的光束质量很好,激光器输出的高斯光束可以在一个集中点上有效地传播激光能量用以启动深熔焊,而且还可以保持一个很小的焊点尺寸。最终结果是,系统提供了增加10倍的吞吐量,且减少了对空间,维护和电力(冷却和激光电源)的要求,进而生产能力也有所提高。

SPI光纤激光器用于焊接时的优点
• 高光束质量, 高功率密度,小光斑尺寸( 通过光学系统控制)
• 通过闭环控制电路控制功率稳定性
• 免维护(无耗材)
• 高能量效率( 冷却和激光电源)
• 卓越的薄金属深熔焊性能
• 200W CW 紧凑设计 (6U)

       高功率激光二极管大多应用于表面传导焊接,如电池铸件,不锈钢水槽等要求高质量可见表面的应用中。这是因为二极管激光器的输出激光为多模,比单模光纤激光产生的光斑尺寸更大,因此功率密度较低。使用特殊光学系统,LaserLine高功率二极管激光器既能以高斯模式,也能以Top-Hat模式传输,因此可以用它进行非常深的深熔焊。以下概述了高功率二极管激光器系统(2kW)在三维(3D)焊接过程中的一些典型应用。

LaserLine高功率二极管激光器用于焊接时的优点
• 利用二极管激光器可实现0.3mm到0.6mm的典型焊点直径
• 输出功率在几kW范围
• 可以实现表面传导焊接和深熔焊( 可选高斯光束 ,平顶光束形状)
• 大多数灯泵Nd:YAG激光器高功率焊接应用的直接替代品
• 高焊接速度时的高工艺稳定性(电路闭环控制)
• 降低投资和运行成本 (高能源效率,高效冷却,无耗材)

        总之,光纤激光器和高功率二极管激光器在传导模式和深熔焊焊接应用中正逐渐获得更多的市场认可。此外,它具有一些明显超过CO2和灯泵Nd:YAG激光源的优势。包括:
• 低拥有成本
• 高电力转换效率
• 易于取代旧技术焊接系统
• 工厂车间空间要求小
• 低维护光纤传输选项
• 与现有生产线易于集成

产品荟萃
        德国Laserline公司成立于1997年,是业内领先的应用于材料加工领域的半导体激光器制造商,其提供的半导体激光器被广泛应用于淬火,熔覆,钎焊,金属焊接等方面,并以高效、可靠而赢得广泛赞誉。 Laserline公司在德国、美国、法国、英国、瑞典、日本等30多个国家有共超过700台激光器在运行使用,用户包括大众、宝马、奥迪、克莱斯勒、本田、丰田、福特等诸多知名汽车制造商。 产品包括:光纤耦合高功率半导体激光器系统及模块,输出功率范围100W-1000W。
LDF 系列光纤耦合半导体激光器系统

特点:
 拥有最佳的光束品质,可根据需要进行剪裁
 光纤耦合激光器功率高达15,000W
 超高的光电转换效率>45%
 适用于熔覆、焊接、热处理、钎焊等应用
  适合大规模生产的小巧、高效型系统
  可移动式设计
 半导体激光器元器件5年质保
 少维护时间(每年仅需半天)


应用:
 熔覆,焊接,热处理,钎焊,表面硬化处理和切割等应用的理想选择
LDM系列光纤耦合半导体激光模块

特点:
 功率可达3,000W 以上,紧凑架装结构设计
 光束质量堪比泵浦Nd:YAG激光器
 可快速集成于激光工作系统中,适于工业OEM应用
 拥有多个功率级别可供选择
 激光器部件五年质保
应用:
 适用于金属焊接、塑料焊接及钎焊等应用

应用通讯
       热交换器的激光焊接

任务
        在热交换器的制造过程中,外壳和内部机身必须采用点焊的方法焊接在一起。然而,由于热交换器在装配时还需要用到角焊,所以TIG焊接不适用于此类应用。另外,在生产过程中,高度的可靠性和重复性也必不可少。最初,Bund Automation的设备工程师是用灯泵浦的脉冲YAG激光器进行的测试,不过最后认为要进行大规模批量生产,还需要使用更紧凑的光源,最重要的是,这个光源一定要稳定可靠。

工序
        Laserline的应用实验室对新开发的热交换器的外壳组件进行了点焊测试。测试中激光功率设置为600W,光斑尺寸为0.6 - 1.2 mm。该技术非常强大,利用它,Bund Automation开发了一款自动化系统,系统的焊接部分保持不动,而利用机器人将组件移动到不同的位置。正是由于激光光束保持不动,实现激光安全要求的成本显著降低。此外,这套系统还配备了一个简单的角柜以防止反射,这足以保证该系统达到1类激光系统标准。

结果
        Laserline的LDM系列半导体激光模块使Bund Automation能够建立一个非常紧凑和可靠的焊接系统。经过两个月的样机生产测试,激光系统顺利实现批量生产,并于2010年年初成功投入使用。此外,激光系统比传统的焊接加工技术或其他类型的激光器具有更低的运营和维护成本。

对象材料:不锈钢
任务:点焊和短线焊接
激光器:LDM 750-60
光学元件:f_foc = 100 mm, 光斑直径: 0.6 mm
参数:600W,氩气保护气体
结果:自2009年投入生产至今
应用通讯
       硅材料的光纤激光器切割

摘要
        硅材料广泛应用于很多工业领域中,特别是太阳能电池和半导体产业,在珠宝首饰和娱乐产品中的应用也在不断增加。大部分应用使用的源材料是以晶片硅的形式存在。通常晶片的厚度为0.2-1.5mm (0.008"–0.06") ,直径为100-300mm (4"-12") 。本文专门集中说明了切割模式晶圆,单晶和多晶硅(200µm)的方法。通过考察脉冲和连续激光器,发现光纤激光器相对其他现存的硅切割技术具有很强的竞争力。

引言
        传统硅晶片的切割方法主要是金刚石锯,偶尔也使用划线折断工艺,这种方法只能切割直线,并且边缘具有较严重的裂痕,或者使用倍频的铁合金激光器,这种方法和微喷工艺,一样都操作昂贵,速度缓慢。最近SPI开发了一种光纤激光器切割工艺,该工艺能在较快的切割速度下,仍然具有极好的切割质量。

结果
        使用200W连续光纤激光器对200μm(0.008")厚度的多晶硅进行切割时,切割速度可达10m/min,并且可得到高度平滑的切割边缘,没有任何裂缝的痕迹。可以做到和侧面平行、无任何边缘碎裂痕迹的40微米的切口宽度。甚至在1.2mm厚度(0.005"),切割速度也可超过1m/min。这个比现存的所有其他硅切割技术都要快。
        下表展现了光纤激光器切割硅的能力。

厚度mm 材料 功率 W 速度 m/min
0.25 单晶硅基底 200 >6
0.65 单晶硅基底 200 >3
0.85 单晶硅基底 200 3
1.2 单晶硅基底 200 1
1.4 单晶硅基底 200 0.7
0.25 多晶硅带 50 2.5
0.84 化晶圆 100 5

硅带切割
        该切割方法可提供出色的切割边缘质量,下图为50W 连续SPI光纤激光器切割一小块硅。

化晶圆切割
        该激光器在切割化晶圆时,都具备超常的边缘质量,无任何裂痕或碎痕的迹象。
        这种新型切割工艺,在切割任何形状时都能拥有像切割直线那样的切割质量(这个目前是金刚石锯切割法的缺陷)。

200µm 硅片切割
       SPI脉冲激光器也可以用于切割或对硅进行划线。当激光运行功率为20W,重复率为65 kHz,脉冲长度 75ns时,可达到200mm/min的切割速度。这个过程的特征是会在切割边缘由再次固化反应形成的小节。
       使用脉冲激光器,可以很容易地在硅材料上切割盲槽或凹槽。目前SPI正在和一些系统集成商合作,从而将这些切割工艺商业化。

结论
       SPI激光器在美国和英国都有应用实验室。这些机构为SPI技术的潜在使用客户提供样品和使用说明书的验证,且该服务不收取任何费用。如客户有需要,我们会将样品寄给他们,这样客户就可以充分利用SPI的"在购买之前使用"的优势,尽可能获得一台最适合自己的激光器,并拥有30天的试用期。

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