激光加工机器人技术及工业应用（二）

激光加工机器人技术及工业应用（二）

本文重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术——光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向——高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术。

3.4盘片激光器

2005年德国通快(Trumpf)公司在德国慕尼黑国际激光和光电子展览会上推出2kW，4kW系列的新型激光器——盘片激光器(DiskLasers)，与光纤激光器进行竞争心引。尽管两种激光器都利用掺Yb晶体作为激光激活介质，但是几何形状不同：光纤激光介质又长又细，而盘状激光介质薄盘片状。这两种几何形状均可以显著减少光／热效应。盘状激光工作原理如11所示：一束平行的均匀光强分布的半导体激光(A=940nm)作为抽运光，入射到抛物镜面上，然后回聚到圆盘状薄片Yb：YAG晶体上，该晶片后面安装散热器，在A=940nm光抽运下，则输出A=1030nm的激光。由于散热器作用，在Yb：YAG晶片径向上温度稳定，温度梯度仅存在于晶片轴向上，从而克服了热透镜效应，减小了光束发散角，提高了光束质量。

11盘片激光器工作原理

德国Trumpf公司两种工业盘片激光器HLD4002主要参数：最大输出功率5.3kW，工件上4kW，光斑直径200μm，波长(1030±5)nm，光束质量8mm·mrad，光纤芯径200μm，效率25％；HLD2002主要参数：最大输出功率2.65kW，工件上2kW；光斑直径200μm，波长(1030±5)nm，光束质量8mm·mrad，光纤芯径200μm，效率24％。

12～14分别给出了德国Trumpf公司的HLD4002盘状激光器外观、光腔结构和LD抽运光源结构。

12HLD-4002外观

13HLD-4002的抽运光和光腔

14HLD-4002的抽运

1)功率输出高达5hW，波长1.030μm，材料吸收率高。已经商品化，可用于焊接、切割、打标、雕刻、熔覆及再制造等各类激光加工作业。

2)光束质量比光纤激光更优良(8mm·mrad)，光束呈平行传输，激光远距离加工能力更强。

3)光电转换效率高达25％。运行寿命长成本低，工作环境常温，维护方便。

4)光纤传输，柔性高，易与工业机器人等配合，多路光缆输出，多个工作站同时工作。

盘状激光器比光纤激光器光柬质量高，但不易达到万瓦级功率水平，而且体积和重量大，机器人维修，不适于现场流动作业，这些方面光纤激光器具有明显优势。

本文重点研究讨论了激光加工机器人的某些关键单元技术——光纤传输的高功率激光技术、机器人本体技术、机器人编程技术、机器人智能化和网络化技术及反求工程重建修复区三维(3D)形貌技术。提出了激光加工机器人未来发展的一些重要方向——高功率激光远程加工和柔性制造技术、具有机器视觉和听觉功能的智能控制技术和远程监控功能的网络化管理技术。

3.5半导体激光器

世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，半导体激光器又称激光二极管。经过几十年来的研发，半导体激光器取得了惊人的进步，波长遍及红外、红光到蓝绿光范围。大功率半导体激光器一般分为单管型和阵列型两种类型，二维阵列又有单片阵列和叠层阵列两种，采用叠层阵列输出功率可以高达百瓦、千瓦，甚至准连续输出功率达万瓦以上，而这些器件的能量转换效率可高达百分之几十。在激光加工领域，半导体激光器主要有两方面的应用：

1)抽运固体激光器：目前最为常用抽运源主要有三种：808nm波长的半导体激光器用于抽运Nd：YAG固体激光器；940nm波长的半导体激光器用于抽运Yb：YAG固体激光器，980nm的半导体激光器用于抽运掺铒光纤放大器或掺铒光纤激光器。

2)直接用于激光加工：808nm大功率半导体激光器可提供数千瓦的准连续输出功率及数百瓦的连续输出功率，可靠工作寿命达上万小时。

但是半导体激光器存在较大的缺点：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大。因而，在激光加工领域半导体激光器主要用于激光热处理、激光熔覆等，不适于激光切割、焊接、打孔、雕刻等要求光束质量高的应用。它体积小、重量轻、可以光纤传输、易与工业机器人等配合集成；便于移动，更适于现场流动作业，这些方面比YAG、光纤、盘片等激光器具有明显优势。

高功率半导体激光器制造技术已经成为许多发达国家(如美国、德国、俄罗斯等)和中国大力支持的重要领域。国外主要研发单位有：SDL，SpectraPhysics，Coherent，Sony，Hitachi，Mitsubishi，IBM，Uniphase，Lasertron，AT&T，Lucent，Nortel，Alcatel，Siemens，Philips等。国内主要研发生产单位有中国科学院半导体研究所、北京海特公司、上海大恒公司和西安炬光科技有限公司等。西安炬光科技有限公司生产的微通道水冷垂直叠阵VS系列激光器功率达到5000W，成为国际上仅有的几家有能力生产同类型产品的产商之一。15是北京工业大学研发的1000W半导体激光加工机及淬火效果。

151000W半导体激光器及淬火效果

3.6几种工业型高功率激光器比较

16给出了几种不同光源光束质量比较(IPG公司生产的单模、多模光纤激光器，Trumpf公司生产的盘片激光器，LD抽运YAG激光器，灯抽运YAG激光器和CO2激光器)。可见，当激光功率小于1000W，YAG激光器(灯抽运、LD抽运)、光纤激光器(单模、多模)和盘片激光器的光束质量都优于快轴流CO2激光器。当激光功率大于1000W，YAG激光器光束质量最差：灯抽运YAG激光器光束参数积(BPP)为23.9mm·mrad，LD抽运YAG激光器BPP为15.6mm·mrad。当激光功率达到10000W，光纤激光器(单模、多模)和盘片激光器的光束质量几乎和快轴流CO2激光器相当，BPP值基本为10～12mm·mrad。

16几种激光器光束质量比较

17(a)是几种不同光源焊接性能比较曲线(7kW光纤激光YLR-7000，10kW光纤激光YLR-10000，17kW光纤激光YLR-17000，4kWLD抽运Nd：YAG-DY04，4kW灯抽运Nd：YAGHL4006D)。光纤激光功率在17kW下最大焊接速度20m/min，最大焊接深度12mm，表明光纤激光的焊接能力最强。灯抽运Nd：YAG激光，最高功率仅达4kw，焊接能力最低：最大焊接速度4m/min，最大焊接深度4mm。

17(b)是光纤激光与CO2激光焊接组织比较。可以看出，在焊接板厚(11.2mm)相同条件下，CO2激光(13.5kW)所需功率比光纤激光(10.2kW)高，而焊接速度CO2激光(1.8m/min)比光纤激光(2.2m/rain)低。所需激光线能量密度CO2激光(4.5kJ/cm)比光纤激光(2.8kJ/cm)高。比较焊接组织：CO2激光焊缝宽达4mm，热影响区宽达2mm；光纤激光焊缝宽度1.5mm，热影响区宽度0.5mm。CO2激光焊缝组织为粗大的柱状晶，光纤激光焊缝组织为细小的等轴晶。显然，无论焊接能力还是焊缝组织性能光纤激光均优于CO2激光。

17(c)是光纤激光与CO2激光/熔化极气体保护焊(GMA)混合焊接金相组织比较。由于CO2激光能力低于光纤激光，需要增加CO2激光/GMA混合焊接才能达到光纤激光单一能源焊接水平。

17光纤激光与CO2激光焊接组织比较