一直以來，EWI（愛迪生焊接研究所）都致力于促進制造技術(shù)的發(fā)展，特別是在材料連接領(lǐng)域。這方面的進展充滿著新興的機遇，同時也不乏挑戰(zhàn)。在激光焊接領(lǐng)域，隨著高功率光纖激光器和碟片激光器的引入，機遇和挑戰(zhàn)以有史以來最快的速度在迅速地增長。最值得注意的是，更高激光功率和光束質(zhì)量使其應(yīng)用范圍有機會擴展到更深的激光深熔焊接，這也為激光聚焦光學(xué)組件帶來了一個全新的挑戰(zhàn)。

具體來說，聚焦光學(xué)組件面對的挑戰(zhàn)或者說障礙被稱為“離焦量（focal shift）”，對這一問題的描述早在十年前就由Dirk Lange提出。該研究對離焦量進行了定義和量化（在YAG功率最低不超過3kW時為1 mm/kW）。巧合的是，在同一時期，EWI在一項涉及光束耦合器應(yīng)用中觀察到在4kW光纖激光功率時也有類似的現(xiàn)象。但EWI在開始10kW功率的光纖激光焊接試驗時才觀察到離焦量對激光焊接造成的實際影響。

控制和管理離焦量

激光焊接過程中離焦量的產(chǎn)生過程如圖1所示。為了便于討論，我們假設(shè)具有非常低的吸收率的透鏡和一個保護蓋片的1微米聚焦光學(xué)組件在非常潔凈的情況下開始傳輸。不幸的是，這種情況在生產(chǎn)環(huán)境中是很少存在的。有時在焊接時(或之前)，煙塵、蒸汽、油、飛濺物或其他形式的污染物會在最近的光學(xué)表面上發(fā)現(xiàn)——保護玻璃窗口。這種污染會使得窗口局部過熱，產(chǎn)生熱變形和窗口折射率的變化。這個結(jié)果會導(dǎo)致焦點遠離工作面而向光學(xué)組件移動，從而產(chǎn)生更多污染和焊接熔深的損失。

圖1：激光焊接中離焦量的發(fā)生。

有很多關(guān)于控制和管理離焦量的解決方案。首先，最常見的是氣刀，這實際是一種高速、橫向的清潔的氣流或其他氣體，旨在保護最末的光學(xué)表面免受污染。有許多種不同的氣刀（也被稱為“窗口保護”裝置）被用來解決離焦量問題。其中有些設(shè)備使用了散射光監(jiān)控解決方案來檢測污染何時開始，并希望以此能在產(chǎn)生不良焊縫之前暫停焊接過程。不幸的是，目前還沒有人能制作出一種完全有效的窗口保護裝置，并且過程中的污染并不是讓透射聚焦光學(xué)組件發(fā)生熱移位的唯一原因。

聚焦光學(xué)組件的替代方案

面對這一現(xiàn)實，EWI開始研究激光聚焦光學(xué)組件的替代方案，設(shè)計準則如下：

● 盡可能多地減少光學(xué)傳輸裝置；

● 使用熱穩(wěn)定性較好的光學(xué)傳輸裝置；

● 在可能的情況下使用金屬反射鏡；

● 提供更好的光學(xué)冷卻；

● 放置最末的光學(xué)表面時使其遠離工作面。

依據(jù)這些準則，EWI制作出一種“復(fù)合式”聚焦光學(xué)組件，綽號叫“bazooka（火箭筒）”(圖2)，該組件集合了多種創(chuàng)新的功能。首先，激光光纖發(fā)散光束的準直是用經(jīng)過金剛石切削處理的硫化鋅材料透鏡完成的，這種材料的熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)的光學(xué)傳輸材料石英玻璃的20倍。對這種材料進行金剛石車削(DT)意味著可以在凸面得到理論上完美的透鏡面形。其次，這個透鏡的平面一側(cè)通過與另一個DT表面（水冷透鏡支架）直接接觸來冷卻。這樣的DT面與DT面接觸能產(chǎn)生極其高效的熱傳遞，從而讓準直透鏡保持冷卻。

圖2：“Bazooka（火箭筒）”復(fù)合式激光聚焦光學(xué)組件。

“火箭筒”的準直光束的聚焦是用標準的離軸、水冷拋物面鏡完成的，這種拋物面鏡幾十年來通常用于高功率CO2激光焊接系統(tǒng)中。這種堅固的未鍍膜的光學(xué)表面對污染幾乎完全免疫，可以被多次清洗，能防止飛濺物接觸到中間窗口。這種中間窗口對于保護相對較昂貴的ZnS準直透鏡來說是很有必要的。并且在此窗口的輸出側(cè)使用清潔氣流來預(yù)防煙塵和其他低速污染物。

在最高不超過8千瓦的光纖激光功率情況下，這種“復(fù)合”光學(xué)設(shè)計的離焦量幾乎為零(~0.2 mm/kW)。出人意料的是，這與EWI所有的傳統(tǒng)傳輸聚焦設(shè)備測量的離焦量相反。這種現(xiàn)象被歸因為傳輸光學(xué)組件的負離焦(“上方”)和未鍍膜銅反射鏡這一面的正離焦(“下方”)的結(jié)合而引起的。

多年來，“bazooka（火箭筒）”在EWI的許多激光焊接項目中提供了穩(wěn)定的焊接性能，甚至包括那些需要15kW功率的應(yīng)用。其完成的16mm的激光深熔焊接具有良好的焊縫剖面。但是當EWI被要求在10mm厚的航天合金上，進行11道零缺陷的3.6m長焊縫的焊接時，這種聚焦光學(xué)組件終于遇到了難題。在解決這一問題的研究過程中，我們進行了一些較短的0.6m長焊縫的焊接，并且觀察到了離焦的發(fā)生。盡管清洗“bazooka火箭筒”光學(xué)組件能夠解決這一問題，但是在全長（3.6m）面板上制作出不良焊縫的風(fēng)險仍然太高。因此該項目需要一個新的聚焦光學(xué)解決方案才能繼續(xù)進行。這種解決方案的目標很簡單——消除所有傳輸聚焦光學(xué)組件。但有一個很明顯的問題是，這樣不保護精細的激光光纖端。最終采用了現(xiàn)在這種具有專利的解決方案，即用兩個聚焦反射鏡與氣動窗口連接在一起來保護光纖端(圖3)。該結(jié)構(gòu)中的每個反射鏡都是金剛石切削的不對稱非球面形狀，由II-VI公司專門針對EWI的要求而生產(chǎn)。接收較高激光功率密度的第一面反射鏡具有高反射率鍍膜，并產(chǎn)生光纖端面的1:1成像。氣動窗口的中間對準了這個第一幅圖像。在氣動窗口靠近光纖這面的腔內(nèi)引入潔凈的氣體，從而產(chǎn)生高速、共線的氣流來防止任何污染物進入這一區(qū)域。

圖3：氣動窗口聚焦光學(xué)組件。

在經(jīng)過氣動窗口后，光束向第二面不對稱聚焦鏡擴展，在工作面上產(chǎn)生了第二幅光纖端的放大圖像。第二面反射鏡和工作面之間的長距離（350-500mm）使得有充足的機會來借助氣刀排除污染物，并且在這個未鍍膜的銅反射鏡上的大尺寸光斑對其吸收或表面圖像幾乎不構(gòu)成威脅。該反射聚焦光學(xué)組件的光束參數(shù)乘積小于7 mm-mrad（200μm的光纖），熱移位大約為0.1 mm/kW。

圖4：第二代氣動窗口反射聚焦光學(xué)組件。

這個反射聚焦光學(xué)組件（ 名為“beast野獸”）能成功滿足客戶的需求，在10mm厚的對接焊板上完成11道3.6m長的焊縫，并且所有焊縫的質(zhì)量規(guī)格都符合要求。從開始的第一個面板到末尾的最后一個面板，焊縫的形狀沒有變化。并且，在這些13 kW、將近2分鐘時長的焊接過程中不需要進行任何反射鏡清洗。第二面反射鏡會受到一些飛濺（在所有焊接開始時），但這些并不會影響焊接性能。換句話說，這個聚焦光學(xué)組件能滿足其所有設(shè)計和性能目標，客戶也能得到所要求的面板。

不過， 盡管獲得了成功， 但是“beast野獸”仍有一些揮之不去的問題。首先是其外形和聚焦方向不太合適。其次，安裝第二面反射鏡所需的對準精度在工業(yè)上還不能接受。最后，對于預(yù)期中會進一步升高的激光功率水平來說，水冷反射鏡安裝方案還不能滿足未來的需求。因此，我們就這個擁有專利的解決方案推出了改進的版本。(很明顯，改進的版本不會被稱為“son-of-beast”。)

圖5：分別以1、2、3、4和5m/min的速度在2205雙相不銹鋼上進行20 kW的深熔焊接。

我們對最新的氣動窗口反射聚焦光學(xué)組件(圖4)進行了調(diào)整，以解決“野獸beast”的每個缺點。在線配置能提供一個更傳統(tǒng)的光纖輸入方向。較淺的光束折疊角度使得反射鏡安裝不需要精確定位。事實上它不需要任何對準。反射鏡也被重新設(shè)計，使得水冷更接近鏡面，從而可以在該位置進行溫度監(jiān)控。將水冷通道納入方塊式結(jié)構(gòu)中，以降低水冷通道發(fā)生纏繞的幾率。并且使用了較新的光纖連接器（HLC-16）以適應(yīng)更高的功率。

對第二代聚焦光學(xué)組件進行的初始測試顯示了在20分鐘的15千瓦激光功率下的熱穩(wěn)定性，離焦量大約為0.1 mm/kW。在EWI安裝了新的冷水機組后將會在20kW激光功率下進行額外的熱移位和離焦測試。不銹鋼平板堆焊的焊接效果(圖5)表明，這個光學(xué)組件能帶來非常出色的焊接結(jié)果。

小結(jié)

EWI認為其反射聚焦解決方案對于高功率激光焊接來說是最穩(wěn)定、最有效的方法，特別是在不良焊接會帶來嚴重后果的情況下。隨著行業(yè)對于在關(guān)鍵應(yīng)用中使用激光焊接的信心不斷增加，EWI將會對光學(xué)解決方案繼續(xù)進行改進和創(chuàng)新。