機(jī)器人是高度柔性加工系統(tǒng), 它對(duì)激光器的首位要求是具有高度的光束傳輸柔性, 此外還要求激光器具有光束質(zhì)量高、穩(wěn)定、可靠、體積小、重量輕等特點(diǎn), 便于與機(jī)器人進(jìn)行耦合集成。

       激光加工機(jī)器人的第一代光源是軸流CO2 激光器。但CO2 激光波長(zhǎng)10. 6 μm 不能光纖傳輸。CO2 激光器笨重地組裝在機(jī)器人上, 光束依靠光學(xué)反射鏡轉(zhuǎn)折傳輸, 光路體積大重量大, 加工柔性小,應(yīng)用受到很大的限制。20 世紀(jì)90 年代后, 千瓦級(jí)燈抽運(yùn)Nd：YAG 激光器和二極管抽運(yùn)全固態(tài)激光器( DPSSL) 成為激光加工機(jī)器人的第二代光源, 光束可以光纖傳輸并與機(jī)器人耦合, 光路體積大為縮小, 具有很高的加工柔性。21 世紀(jì)初, 隨著激光技術(shù)飛速發(fā)展, 涌現(xiàn)出多種具有高度柔性的可光纖傳輸?shù)母吖β使I(yè)型激光器: 光纖激光器、盤片激光器和半導(dǎo)體激光器, 成為激光加工機(jī)器人的第三代光源。第三代光源體積大大縮小, 集成后的機(jī)器人體積小重量輕, 可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)作業(yè); 全光纖傳輸加工柔性大大增強(qiáng); 激光能量可以分成多路傳輸, 實(shí)現(xiàn)多路加工; 極細(xì)的光纖可以傳輸大功率光束, 可以在很小空間內(nèi)進(jìn)行加工。

      日本在2005 年研制出平均輸出功率10 kW電光效率大于20% 的高功率全固態(tài)激光器。德國Trumpf 公司已有LD 抽運(yùn)的2, 4. 5 和6 kW 系列YAG激光器, 光束質(zhì)量分別為12, 16 和25 mm •mrad。圖1是德國Rofin 公司6 kW級(jí)LD抽運(yùn)YAG 激光器外形及原理圖, 主要技術(shù)指標(biāo)為:波長(zhǎng)1. 06 μm; 最大功率5. 5 kW( 工件上4 kW) ; 光束質(zhì)量25 mm •mrad。全固態(tài)激光器提高了輸出功率和光束質(zhì)量, 可以用于激光切割、焊接、打孔、雕刻、熱處理和熔覆等作業(yè)。
 

                 圖1 Ro fin 公司LD 抽運(yùn)YAG 激光器

       德國IPG Photonics 公司采用組束技術(shù), 在2005 年德國慕尼黑國際激光和光電子展覽會(huì)上推出系列的高功率光纖激光器,光纖激光器成為工業(yè)激光的主流產(chǎn)品和未來趨向。

       光纖激光與YAG激光相比, 具有一系列優(yōu)點(diǎn):

       1) 輸出功率高達(dá)1~ 50 kW, 20 kW 已經(jīng)商品化, 是目前國際上功率最高的激光器。波長(zhǎng)1. 070 μm, 材料吸收率高?？捎糜诤附?、切割、打標(biāo)、雕刻、熔覆及再制造等各類激光加工作業(yè)。

       2) 光束質(zhì)量?jī)?yōu)良( 11. 6 mm •mrad) , 焦點(diǎn)光斑直徑微小( 10~ 100 μm) , 光束幾乎呈平行傳輸, 實(shí)現(xiàn)激光遠(yuǎn)距離加工。
       3) 體積小, 重量輕, 便于移動(dòng)。光纖傳輸柔性高, 易與工業(yè)機(jī)器人等配合, 實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)加工。

       IPG 公司YLR-7000 光纖激光器最大輸出功率( 工件上) 6. 9 kW, 光斑直徑519 μm, 波長(zhǎng)( 1070±5) nm, 光束質(zhì)量18. 5 mm •mrad, 光纖芯徑300μm , 效率20%。YLR-10 kW光纖激光器主要參數(shù): 最大輸出功率( 工件上)10. 5 kW, f = 200 mm 時(shí)光斑直徑360 μm, 波長(zhǎng)(1070±5) nm, 光束質(zhì)量11. 6 mm •mrad, 光纖芯徑200μm, 效率25%，YLR-17 kW光纖激光器主要參數(shù):
大輸出功率( 工件上) 16. 7 kW, f = 420 mm時(shí)光斑直徑420 !m, 波長(zhǎng)(1070±5) nm, 光束質(zhì)量11. 7 mm •mrad, 光纖芯徑200μm, 效率30%。

       2005 年德國通快( Trumpf) 公司在德國慕尼黑國際激光和光電子展覽會(huì)上推出2 kW, 4 kW系列的新型激光器——盤片激光器。圖2為HLD-4002外觀。

                                           圖2  HLD-4002外觀

        盤狀激光器優(yōu)點(diǎn):
       1) 功率輸出高達(dá)5 kW, 波長(zhǎng)1. 030μm, 材料吸收率高。已經(jīng)商品化, 可用于焊接、切割、打標(biāo)、雕刻、熔覆及再制造等各類激光加工作業(yè)。
       2) 光束質(zhì)量比光纖激光更優(yōu)良(8mm •mrad) ,光束呈平行傳輸, 激光遠(yuǎn)距離加工能力更強(qiáng)。
       3) 光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25% 。運(yùn)行壽命長(zhǎng)成本低, 工作環(huán)境常溫, 維護(hù)方便。
       4) 光纖傳輸, 柔性高, 易與工業(yè)機(jī)器人等配合,多路光纜輸出, 多個(gè)工作站同時(shí)工作。
       盤狀激光器比光纖激光器光束質(zhì)量高, 但不易達(dá)到萬瓦級(jí)功率水平, 而且體積和重量大, 不適于現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)作業(yè), 這些方面光纖激光器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

       大功率半導(dǎo)體激光器一般分為單管型和陣列型兩種類型, 二維陣列又有單片陣列和疊層陣列兩種, 采用疊層陣列輸出功率可以高達(dá)百瓦、千瓦, 甚至準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)萬瓦以上,而這些器件的能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)百分之幾十。但是半導(dǎo)體激光器存在較大的缺點(diǎn): 激光性能受溫度影響大, 光束的發(fā)散角較大。因而, 在激光加工領(lǐng)域半導(dǎo)體激光器主要用于激光熱處理、激光熔覆等, 不適于激光切割、焊接、打孔、雕刻等要求光束質(zhì)量高的應(yīng)用。它體積小、重量輕、可以光纖傳輸、易與工業(yè)機(jī)器人等配合集成; 便于移動(dòng), 更適于現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)作業(yè), 這些方面比YAG、光纖、盤片等激光器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

       圖3 給出了幾種不同光源光束質(zhì)量比較( IPG公司生產(chǎn)的單模、多模光纖激光器, Trumpf 公司生產(chǎn)的盤片激光器, LD 抽運(yùn)YAG 激光器, 燈抽運(yùn)YAG 激光器和CO2 激光器) ?？梢? 當(dāng)激光功率小于1000 W, YAG 激光器( 燈抽運(yùn)、LD 抽運(yùn)) 、光纖激
光器( 單模、多模) 和盤片激光器的光束質(zhì)量都優(yōu)于快軸流CO2 激光器。當(dāng)激光功率大于1000 W,YA G 激光器光束質(zhì)量最差: 燈抽運(yùn)YAG 激光器光束參數(shù)積( BPP) 為23. 9mm •mrad, LD 抽運(yùn)YA G激光器BPP 為15. 6 8mm •mrad。當(dāng)激光功率達(dá)到10000 W, 光纖激光器( 單模、多模) 和盤片激光器的光束質(zhì)量幾乎和快軸流CO2 激光器相當(dāng), BPP值基本為10~ 12 8mm •mrad。

                                    圖3 幾種激光器光束質(zhì)量比較