機器人是高度柔性加工係統, 它對激光器的首位要求是具有高度的光束傳(chuan) 輸柔性, 此外還要求激光器具有光束質量高、穩定、可靠、體(ti) 積小、重量輕等特點, 便於(yu) 與(yu) 機器人進行耦合集成。

       激光加工機器人的第一代光源是軸流CO2 激光器。但CO2 激光波長10. 6 μm 不能光纖傳(chuan) 輸。CO2 激光器笨重地組裝在機器人上, 光束依靠光學反射鏡轉折傳(chuan) 輸, 光路體(ti) 積大重量大, 加工柔性小,應用受到很大的限製。20 世紀90 年代後, 千瓦級燈抽運Nd：YAG 激光器和二極管抽運全固態激光器( DPSSL) 成為(wei) 激光加工機器人的第二代光源, 光束可以光纖傳(chuan) 輸並與(yu) 機器人耦合, 光路體(ti) 積大為(wei) 縮小, 具有很高的加工柔性。21 世紀初, 隨著激光技術飛速發展, 湧現出多種具有高度柔性的可光纖傳(chuan) 輸的高功率工業(ye) 型激光器: 光纖激光器、盤片激光器和半導體(ti) 激光器, 成為(wei) 激光加工機器人的第三代光源。第三代光源體(ti) 積大大縮小, 集成後的機器人體(ti) 積小重量輕, 可以實現現場流動作業(ye) ; 全光纖傳(chuan) 輸加工柔性大大增強; 激光能量可以分成多路傳(chuan) 輸, 實現多路加工; 極細的光纖可以傳(chuan) 輸大功率光束, 可以在很小空間內(nei) 進行加工。

      日本在2005 年研製出平均輸出功率10 kW電光效率大於(yu) 20% 的高功率全固態激光器。德國Trumpf 公司已有LD 抽運的2, 4. 5 和6 kW 係列YAG激光器, 光束質量分別為(wei) 12, 16 和25 mm •mrad。圖1是德國Rofin 公司6 kW級LD抽運YAG 激光器外形及原理圖, 主要技術指標為(wei) :波長1. 06 μm; 最大功率5. 5 kW( 工件上4 kW) ; 光束質量25 mm •mrad。全固態激光器提高了輸出功率和光束質量, 可以用於(yu) 激光切割、焊接、打孔、雕刻、熱處理和熔覆等作業(ye) 。
 

                 圖1 Ro fin 公司LD 抽運YAG 激光器

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

       光纖激光與(yu) YAG激光相比, 具有一係列優(you) 點:

       1) 輸出功率高達1~ 50 kW, 20 kW 已經商品化, 是目前國際上功率最高的激光器。波長1. 070 μm, 材料吸收率高。可用於(yu) 焊接、切割、打標、雕刻、熔覆及再製造等各類激光加工作業(ye) 。

       2) 光束質量優(you) 良( 11. 6 mm •mrad) , 焦點光斑直徑微小( 10~ 100 μm) , 光束幾乎呈平行傳(chuan) 輸, 實現激光遠距離加工。
       3) 體(ti) 積小, 重量輕, 便於(yu) 移動。光纖傳(chuan) 輸柔性高, 易與(yu) 工業(ye) 機器人等配合, 實現高度自動化現場加工。

       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( 1070±5) nm, 光束質量18. 5 mm •mrad, 光纖芯徑300μm , 效率20%。YLR-10 kW光纖激光器主要參數: 最大輸出功率( 工件上)10. 5 kW, f = 200 mm 時光斑直徑360 μm, 波長(1070±5) nm, 光束質量11. 6 mm •mrad, 光纖芯徑200μm, 效率25%，YLR-17 kW光纖激光器主要參數:
大輸出功率( 工件上) 16. 7 kW, f = 420 mm時光斑直徑420 !m, 波長(1070±5) nm, 光束質量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(hui) 上推出2 kW, 4 kW係列的新型激光器——盤片激光器。圖2為(wei) HLD-4002外觀。

                                           圖2  HLD-4002外觀

        盤狀激光器優(you) 點:
       1) 功率輸出高達5 kW, 波長1. 030μm, 材料吸收率高。已經商品化, 可用於(yu) 焊接、切割、打標、雕刻、熔覆及再製造等各類激光加工作業(ye) 。
       2) 光束質量比光纖激光更優(you) 良(8mm •mrad) ,光束呈平行傳(chuan) 輸, 激光遠距離加工能力更強。
       3) 光電轉換效率高達25% 。運行壽命長成本低, 工作環境常溫, 維護方便。
       4) 光纖傳(chuan) 輸, 柔性高, 易與(yu) 工業(ye) 機器人等配合,多路光纜輸出, 多個(ge) 工作站同時工作。
       盤狀激光器比光纖激光器光束質量高, 但不易達到萬(wan) 瓦級功率水平, 而且體(ti) 積和重量大, 不適於(yu) 現場流動作業(ye) , 這些方麵光纖激光器具有明顯優(you) 勢。

       大功率半導體(ti) 激光器一般分為(wei) 單管型和陣列型兩(liang) 種類型, 二維陣列又有單片陣列和疊層陣列兩(liang) 種, 采用疊層陣列輸出功率可以高達百瓦、千瓦, 甚至準連續輸出功率達萬(wan) 瓦以上,而這些器件的能量轉換效率可高達百分之幾十。但是半導體(ti) 激光器存在較大的缺點: 激光性能受溫度影響大, 光束的發散角較大。因而, 在激光加工領域半導體(ti) 激光器主要用於(yu) 激光熱處理、激光熔覆等, 不適於(yu) 激光切割、焊接、打孔、雕刻等要求光束質量高的應用。它體(ti) 積小、重量輕、可以光纖傳(chuan) 輸、易與(yu) 工業(ye) 機器人等配合集成; 便於(yu) 移動, 更適於(yu) 現場流動作業(ye) , 這些方麵比YAG、光纖、盤片等激光器具有明顯優(you) 勢。

       圖3 給出了幾種不同光源光束質量比較( IPG公司生產(chan) 的單模、多模光纖激光器, Trumpf 公司生產(chan) 的盤片激光器, LD 抽運YAG 激光器, 燈抽運YAG 激光器和CO2 激光器) 。可見, 當激光功率小於(yu) 1000 W, YAG 激光器( 燈抽運、LD 抽運) 、光纖激
光器( 單模、多模) 和盤片激光器的光束質量都優(you) 於(yu) 快軸流CO2 激光器。當激光功率大於(yu) 1000 W,YA G 激光器光束質量最差: 燈抽運YAG 激光器光束參數積( BPP) 為(wei) 23. 9mm •mrad, LD 抽運YA G激光器BPP 為(wei) 15. 6 8mm •mrad。當激光功率達到10000 W, 光纖激光器( 單模、多模) 和盤片激光器的光束質量幾乎和快軸流CO2 激光器相當, BPP值基本為(wei) 10~ 12 8mm •mrad。

                                    圖3 幾種激光器光束質量比較