在激光焊接領域，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量使其應用範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組件帶來了一個全新的挑戰。
具體來說，聚焦光學組件麵對的挑戰或者說障礙被稱為“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用中觀察到在4kW光纖激光功率時也有類似的現象。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。
控製和管理離焦量
激光焊接過程中離焦量的產生過程如圖1所示。為了便於討論，我們假設具有非常低的吸收率的透鏡和一個保護蓋片的1微米聚焦光學組件在非常潔淨的情況下開始傳輸。不幸的是，這種情況在生產環境中是很少存在的。有時在焊接時(或之前)，煙塵、蒸汽、油、飛濺物或其他形式的汙染物會在最近的光學表麵上發現——保護玻璃窗口。這種汙染會使得窗口局部過熱，產生熱變形和窗口折射率的變化。這個結果會導致焦點遠離工作麵而向光學組件移動，從而產生更多汙染和焊接熔深的損失。
圖1：激光焊接中離焦量的發生。
有很多關於控製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表麵免受汙染。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。其中有些設備使用了散射光監控解決方案來檢測汙染何時開始，並希望以此能在產生不良焊縫之前暫停焊接過程。不幸的是，目前還沒有人能製作出一種完全有效的窗口保護裝置，並且過程中的汙染並不是讓透射聚焦光學組件發生熱移位的唯一原因。
聚焦光學組件的替代方案
麵對這一現實，EWI開始研究激光聚焦光學組件的替代方案，設計準則如下：
● 盡可能多地減少光學傳輸裝置；
● 使用熱穩定性較好的光學傳輸裝置；
● 在可能的情況下使用金屬反射鏡；
● 提供更好的光學冷卻；
● 放置最末的光學表麵時使其遠離工作麵。
依據這些準則，EWI製作出一種“複合式”聚焦光學組件，綽號叫“bazooka（火箭筒）”(圖2)，該組件集合了多種創新的功能。首先，激光光纖發散光束的準直是用經過金剛石切削處理的硫化鋅材料透鏡完成的，這種材料的熱導率是傳統的光學傳輸材料石英玻璃的20倍。對這種材料進行金剛石車削(DT)意味著可以在凸麵得到理論上完美的透鏡麵形。其次，這個透鏡的平麵一側通過與另一個DT表麵（水冷透鏡支架）直接接觸來冷卻。這樣的DT麵與DT麵接觸能產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）”複合式激光聚焦光學組件。
“火箭筒”的準直光束的聚焦是用標準的離軸、水冷拋物麵鏡完成的，這種拋物麵鏡幾十年來通常用於高功率CO2激光焊接係統中。這種堅固的未鍍膜的光學表麵對汙染幾乎完全免疫，可以被多次清洗，能防止飛濺物接觸到中間窗口。這種中間窗口對於保護相對較昂貴的ZnS準直透鏡來說是很有必要的。並且在此窗口的輸出側使用清潔氣流來預防煙塵和其他低速汙染物。
在最高不超過8千瓦的光纖激光功率情況下，這種“複合”光學設計的離焦量幾乎為零(~0.2 mm/kW)。出人意料的是，這與EWI所有的傳統傳輸聚焦設備測量的離焦量相反。這種現象被歸因為傳輸光學組件的負離焦(“上方”)和未鍍膜銅反射鏡這一麵的正離焦(“下方”)的結合而引起的。
多年來，“bazooka（火箭筒）”在EWI的許多激光焊接項目中提供了穩定的焊接性能，甚至包括那些需要15kW功率的應用。其完成的16mm的激光深熔焊接具有良好的焊縫剖麵。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，這種聚焦光學組件終於遇到了難題。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，並且觀察到了離焦的發生。盡管清洗“bazooka火箭筒”光學組件能夠解決這一問題，但是在全長（3.6m）麵板上製作出不良焊縫的風險仍然太高。因此該項目需要一個新的聚焦光學解決方案才能繼續進行。這種解決方案的目標很簡單——消除所有傳輸聚焦光學組件。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)。該結構中的每個反射鏡都是金剛石切削的不對稱非球麵形狀，由II-VI公司專門針對EWI的要求而生產。接收較高激光功率密度的第一麵反射鏡具有高反射率鍍膜，並產生光纖端麵的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麵的腔內引入潔淨的氣體，從而產生高速、共線的氣流來防止任何汙染物進入這一區域。
圖3：氣動窗口聚焦光學組件。
在經過氣動窗口後，光束向第二麵不對稱聚焦鏡擴展，在工作麵上產生了第二幅光纖端的放大圖像。第二麵反射鏡和工作麵之間的長距離（350-500mm）使得有充足的機會來借助氣刀排除汙染物，並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麵圖像幾乎不構成威脅。該反射聚焦光學組件的光束參數乘積小於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組件。
這個反射聚焦光學組件（ 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，並且所有焊縫的質量規格都符合要求。從開始的第一個麵板到末尾的最後一個麵板，焊縫的形狀沒有變化。並且，在這些13 kW、將近2分鍾時長的焊接過程中不需要進行任何反射鏡清洗。第二麵反射鏡會受到一些飛濺（在所有焊接開始時），但這些並不會影響焊接性能。換句話說，這個聚焦光學組件能滿足其所有設計和性能目標，客戶也能得到所要求的麵板。
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，安裝第二麵反射鏡所需的對準精度在工業上還不能接受。最後，對於預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雙相不鏽 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組件(圖4)進行了調整，以解決“野獸beast”的每個缺點。在線配置能提供一個更傳統的光纖輸入方向。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。反射鏡也被重新設計，使得水冷更接近鏡麵，從而可以在該位置進行溫度監控。將水冷通道納入方塊式結構中，以降低水冷通道發生纏繞的幾率。並且使用了較新的光纖連接器（HLC-16）以適應更高的功率。
對第二代聚焦光學組件進行的初始測試顯示了在20分鍾的15千瓦激光功率下的熱穩定性，離焦量大約為0.1 mm/kW。在EWI安裝了新的冷水機組後將會在20kW激光功率下進行額外的熱移位和離焦測試。不鏽鋼平板堆焊的焊接效果(圖5)表明，這個光學組件能帶來非常出色的焊接結果。
小結
EWI認為其反射聚焦解決方案對於高功率激光焊接來說是最穩定、最有效的方法，特別是在不良焊接會帶來嚴重後果的情況下。隨著行業對於在關鍵應用中使用激光焊接的信心不斷增加，EWI將會對光學解決方案繼續進行改進和創新。
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