如何解决高功率激光焊接离焦量问题

　　在激光焊接领域，随着高功率光纤激光器和碟片激光器的引入，机遇和挑战以有史以来最快的速度在迅速地增长。最值得注意的是，更高激光功率和光束质量使其应用范围有机会扩展到更深的激光深熔焊接，这也为激光聚焦光学组件带来了一个全新的挑战。

　　具体来说，聚焦光学组件面对的挑战或者说障碍被称为“离焦量（focal shift）”，对这一问题的描述早在十年前就由Dirk Lange提出。该研究对离焦量进行了定义和量化（在YAG功率不超过3kW时为1 mm/kW）。巧合的是，在同一时期，EWI在一项涉及光束耦合器应用中观察到在4kW光纤激光功率时也有类似的现象。但EWI在开始10kW功率的光纤激光焊接试验时才观察到离焦量对激光焊接造成的实际影响。

　　控制和管理离焦量

　　激光焊接过程中离焦量的产生过程如图1所示。为了便于讨论，我们假设具有非常低的吸收率的透镜和一个保护盖片的1微米聚焦光学组件在非常洁净的情况下开始传输。不幸的是，这种情况在生产环境中是很少存在的。有时在焊接时(或之前)，烟尘、蒸汽、油、飞溅物或其他形式的污染物会在最近的光学表面上发现——保护玻璃窗口。这种污染会使得窗口局部过热，产生热变形和窗口折射率的变化。这个结果会导致焦点远离工作面而向光学组件移动，从而产生更多污染和焊接熔深的损失。

图1：激光焊接中离焦量的发生。

　　有很多关于控制和管理离焦量的解决方案。首先，最常见的是气刀，这实际是一种高速、横向的清洁的气流或其他气体，旨在保护最末的光学表面免受污染。有许多种不同的气刀（也被称为“窗口保护”装置）被用来解决离焦量问题。其中有些设备使用了散射光监控解决方案来检测污染何时开始，并希望以此能在产生不良焊缝之前暂停焊接过程。不幸的是，目前还没有人能制作出一种完全有效的窗口保护装置，并且过程中的污染并不是让透射聚焦光学组件发生热移位的原因。

　　聚焦光学组件的替代方案

　　面对这一现实，EWI开始研究激光聚焦光学组件的替代方案，设计准则如下：

　　● 尽可能多地减少光学传输装置；

　　● 使用热稳定性较好的光学传输装置；

　　● 在可能的情况下使用金属反射镜；

　　● 提供更好的光学冷却；

　　● 放置最末的光学表面时使其远离工作面。

　　依据这些准则，EWI制作出一种“复合式”聚焦光学组件，绰号叫“bazooka（火箭筒）”(图2)，该组件集合了多种创新的功能。首先，激光光纤发散光束的准直是用经过金刚石切削处理的硫化锌材料透镜完成的，这种材料的热导率是传统的光学传输材料石英玻璃的20倍。对这种材料进行金刚石车削(DT)意味着可以在凸面得到理论上完美的透镜面形。其次，这个透镜的平面一侧通过与另一个DT表面（水冷透镜支架）直接接触来冷却。这样的DT面与DT面接触能产生极其高效的热传递，从而让准直透镜保持冷却。

图2：“Bazooka（火箭筒）”复合式激光聚焦光学组件。

　　“火箭筒”的准直光束的聚焦是用标准的离轴、水冷抛物面镜完成的，这种抛物面镜几十年来通常用于高功率CO2激光焊接系统中。这种坚固的未镀膜的光学表面对污染几乎完全免疫，可以被多次清洗，能防止飞溅物接触到中间窗口。这种中间窗口对于保护相对较昂贵的ZnS准直透镜来说是很有必要的。并且在此窗口的输出侧使用清洁气流来预防烟尘和其他低速污染物。

　　在不超过8千瓦的光纤激光功率情况下，这种“复合”光学设计的离焦量几乎为零(~0.2 mm/kW)。出人意料的是，这与EWI所有的传统传输聚焦设备测量的离焦量相反。这种现象被归因为传输光学组件的负离焦(“上方”)和未镀膜铜反射镜这一面的正离焦(“下方”)的结合而引起的。