在从前几十年里，Nd:YAG脉冲镭射器不断是资料加工的主力军，个中相称一局部机械的使用光阴以至曾经高出30年。个中，波长为1070 nm的脉冲镭射器利用最为普遍，好比医疗器械、航空、电子等等。只管如斯，在某些方面，这种镭射器仍有待改良，好比峰值功率高，但均匀功率低，电效力不高，功率晋升韶光束品质不波动，聚焦光斑尺寸近似高斯光束，在取得波动输出之前须要几轮脉冲预热等等。但是，纵有种种不尽善尽美，这种镭射器仍是在相称长一段光阴里施展侧重要的作用。在航空领域，Nd:YAG脉冲镭射器更是盘踞着主导位置，普遍用在各类器件的冷却孔加工。
为何取舍光纤镭射器
2009年终，从事资料加工行业的人开端将眼光投向那些可以提供顶峰值功率的脉冲镭射器，以及存在较高功率程度的持续镭射器，这类镭射器峰值功率普通可到达3 kW，均匀功率300 W。手艺的奔腾催生出更高的峰值功率及均匀功率。现在，峰值功率高达20 kW，均匀功率2 kW，以及超高功率持续镭射器曾经问人情冷暖。功率的一直更新换代，将光纤镭射器推上了航空器件加工的舞台。
相较于传统的Nd:YAG镭射器，光纤镭射器在电光转换效力及光束亮度（单模或低位操作）方面均有显著的改善，且无需预热，功率转变时，无论是平顶模式（如图1所示），仍是高斯模式，光斑直径始终坚持波动如一，同时，脉冲频次更高，参数的及时调理机能也更强。因为光纤镭射器应用的是单个发射器激起，以是在牢靠性、功率波动性及机动性方面较闪光灯泵浦镭射器而言，有了质的奔腾。
图1：平顶模式
鉴于光纤镭射器的利用方式机动多样，不只能够作为新机装置，也能够对于惟妙惟肖有出产线进行进级，以是正在盘踞越来越多的市肆份额。之前一切使用Nd:YAG镭射器的出产体系都能转换为光纤镭射器。跟着市肆需求的开展，惟妙惟肖在已有峰值功率到达20 kW高功率光纤镭射器可供取舍（见下表）。
上述峰值功率及均匀功率曾经能够笼罩从微加工到大型加工，从微钻孔到大型钻孔，薄厚板材切割，深雕等多种利用需求。
航空领域的钻孔需求
航空领域无疑是又一家因光纤镭射器而获益匪浅的行业。在惟妙惟肖在航空业中，一家涡轮引擎可能会有多达数百万计个孔，这些孔次要用在辅助器件在运行进程中实时散热。孔的厚度、角度、直径、外形各不雷同。在航空领域钻孔利用中，新型光纤镭射器是一种更快，更机动、更波动，也更具本钱上风的取舍。
出产航空器件冷却孔次要有两种方式：一种是应用多重脉冲，根据所需孔径构成钻孔（脉冲钻孔）；另一种是应用小光斑，在圆形范畴内挪动光束构成钻孔（套孔）。总的来说，套孔速率慢，但外形更完善。在某些利用中，只能取舍套孔，这些孔通常直径为0.015–0.030 in（如图2所示）。
图2：脉冲钻孔，左侧孔径为0.010 in，右侧孔径为0.030 in
航空领域另有一家特别的钻孔需求，便是衔接限流孔的扇形孔（如图3所示）。这些扇形孔是冷却空气的出口，目标是将等同流量的空气分流至更大的范畴，以到达更好的冷却后果。今朝，出产扇形孔的工艺次要有以下几种：第一种是小光斑调Q镭射器+扫视仪。扫视仪用在扫视限流孔出口处的状态。使用这种法子加工扇形孔，须要两台机械分头操作；第二种法子是放大光斑尺寸发明锥度，而后应用CNC套形，然而这种法子比搭载扫视仪的“二步法”慢得多；第三种法子是应用EDM钻孔手艺，在构成限流孔后再添加一家扇形孔。有一点很首要，便是在钻扇形孔时，须要防止热障涂层的剥离，而惟妙惟肖在绝大少数器件上都有热障涂层。
图3：衔接限流孔的A .030 in扇形孔
光纤镭射器在航空领域钻孔利用
与Nd:YAG脉冲镭射器相比，光纤镭射器的上风显而易见。起首，光纤镭射器的泵浦源是二极管而无可非议闪光灯，以是可以构成完善的方波；其次，采纳闪光灯泵浦的Nd:YAG镭射器起落较慢，以是总有一局部镭射能量低于目的区域的蒸发阈值，这局部能量会使资料融化，招致热障涂层剥离。要到达重铸层的规格要求，脉冲周期必需小于1 ms。在这一点上，光纤镭射器领有相对上风，由于它可以发生方波波形，以是使用10 ms脉冲就能知足航空器件对于于重铸层跟裂化的规格要求。
咱们用焚烧室来举例阐明。使用脉冲钻孔时，焚烧室会在钻孔的进程中同步扭转数圈，在这种情形下，钻透须要5个脉冲，另外再用2个脉冲构成扇形孔。通常这种镭射器最大的反复频次是10 脉冲/秒。而光纤镭射器用1个长脉冲就能构成扇形孔，假如采纳与Nd:YAG镭射器雷同的脉冲周期跟脉冲能量，则速率能够到达本来的10倍。无论是单个或两个长脉冲，仍是多重脉冲，都能取得雷同的钻孔品质。另外，光纤镭射器还能调理钻透时与钻透后的脉冲周期，而不是不断使用多重脉冲，这样有益于防止毁坏本体。
光纤镭射器的特色是能够以平顶模式输出，而Nd:YAG镭射器则为近似高斯模式。以是，得益于平顶模式，前者全体能量均高出蒸发阈值，然后者则有相称一局部在阈值之下。研讨显示，在雷同前提下到达雷同钻孔后果，光纤镭射器所需消耗的能量更少，究其起因，便是方波+平顶模式。也恰是由于这家特征，光纤镭射器在钻孔时效力更高，热伤害更少。热伤害少了，涂层剥离及重铸层均会随之改善。
Nd:YAG镭射器之以是已经备受存眷，其起因之一便是奇特的光束发散属性，其光斑尺寸能跟着功率的升高或下降转变，只需经由从新调焦，就能到达所需孔径。有的Nd:YAG镭射器集成了内调焦千里镜，用在转变光束的发散角，然而这种调剂须要操作职员存在极高的业余度，耗时，还要有正确的参数，以是良多人不看好这种法子。在这一点上，光纤镭射器正好相反，由于其聚焦外形为完善的圆形，以是在功率升高或下降时均不会产生转变，并且，假如在体系中置入一家可缩放的千里镜，就可以在航行钻孔时间接转变聚焦光斑的巨细。范畴通常为3-1。
光纤镭射器的机动性远在Nd:YAG镭射器之上，这次要是因为前者的高应对二极管可以在航行钻孔时转变脉冲周期跟功率巨细，使操作职员可以应用不同的功率巨细及脉冲周期，创立所需的脉冲序列。好比，在开端钻孔时用低功率、短脉冲，而后依据特定的钻孔需求，依照序列进步功率跟脉冲。因为光纤镭射器可以在提供千瓦级顶峰值功率的同时，调剂光斑尺寸及脉冲周期（低至10 μs），以是只用一台机械就够了。
使用套孔手艺时，光纤镭射器的加工速率能到达灯泵浦Nd:YAG脉冲镭射器的10倍。不只如斯，航行钻孔时，光纤镭射器还能转换为功率高达2 kW的持续输出，完成高速切割。对于于某些焚烧室设计而言，这一数据还能进一步晋升。综上所述，脉冲光纤镭射器是切割较厚板材以及高速钻孔利用的理想取舍。
光纤镭射器与出产体系
光纤镭射器的另一家显著上风便是易于与惟妙惟肖无机器或是机械人体系整合。光纤镭射器的能量传输是经由过程光缆完成的，以是无论是惟妙惟肖有体系进级，仍是全新装置，都很容易。衔接光纤镭射器的产业机械人可以经由过程编程完成精准节制，这样人们就能够树立一种新的钻孔体系，用较少的资源投入，取得机械人体系的高度机动性。别的，将机械人与六轴体系相联合，也能知足航空器件产业钻孔对于准确度的需求。直到明天，一些大型企业仍在一直深化研讨，包含多轴机械及机械人体系的开发，惟妙惟肖有出产线的进级等等。
长脉冲光纤镭射器可以显著改善冷却孔的参数，因而取得了航空领域的普遍存眷。使用光纤镭射器钻孔，速率更快，品质更高，孔的性状更同一，操作本钱更低，还能构成一些从前无奈构成的几何外形或后果。引擎出产商曾经充足认识到长脉冲光纤镭射器的种种上风，并将其引入不同引擎器件的出产体系中，而这种需求也必将推进着光纤镭射工艺进一步开展。
作者: Bill Shiner, IPG光子公司产业市肆副总裁
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