项目名称:DK-3000AR谐振腔型单模连续光纤激光器
- 湖南大科激光有限公司
- 湖南省岳阳湘阴县卓达金谷创业园4号栋
- 414100
- 杨海
- 13719063989
- www.dklaser.com
姓名 |
郭少锋 |
电话 |
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电子邮件 |
guoshaofeng@dklaser.com |
区号 |
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邮编 |
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通信地址 |
湖南省长沙市麓谷科技创新创业园A1栋12楼 |
专利类型 |
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专利状态 |
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申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
201711341023.9 |
2018-12-28 |
ZL 201711341023.9 |
202010697765.0 |
2022-07-01 |
ZL202010697765.0 |
激光焊接作为新兴的工具型技术,由于其非接触性、高能量密度、焊接速度快、对热输入的精确控制以及易于自动化等特点,在动力电池、储能电池乃至整车制造中有着不可替代的优势。针对目前激光焊接工艺中因铝合金、铜等材料对激光的反射率较高,焊缝容易产生气孔、热裂纹等缺陷的问题,湖南大科激光有限公司采用自主知识产权的技术方案(ZL201711341023.9,ZL202010697765.0),研制了工业级3kW细芯径谐振腔型单模连续光纤激光器,输出功率为3kW,光束质量M2≤1.2(近衍射极限),能量传输光纤(芯径为14μm, NA为0.07)长度达到7m,符合各场景工业应用的需求。相比同类产品,DK-3000AR在提升焊接稳定性、抑制焊缝缺陷、提高生产效率等方面有明显优势。目前该激光器已应用于动力电池生产的极耳焊接、汇流排焊接、电池封口、防爆阀、极柱焊接等方面,也可为新能源、3C、电力等行业所需的铜、铝及其合金等材料的高质量、高精度焊接提供优质解决方案。
大科激光对于限制大功率光纤激光器性能提升的物理问题进行了深入研究,在模式净化、后向光抑制、非线性效应处理等关键技术上取得突破,使该产品在铜、铝等高反射率材料激光加工方面有着特别突出的应用优势。
该产品采用双端泵浦方式,包括976 nm 波长半导体激光器(LD)、前向泵浦合束器(FC)、高反光栅(HR)、掺镱光纤(YDF)、低反光栅(OC)、后向泵浦/信号合束器(BC)、包层光滤除器(CPS)、能量传输光纤(GDF)和输出端帽(QBH)。不仅保持了近衍射极限激光输出,而且能量传输光纤(芯径为14μm, NA为0.07)长度达到7m,符合各场景工业应用的需求。
产品中的发明创新点部分已获专利授权,主要包括:
1、抗高反技术(专利号:ZL201711341023.9):通过失配熔接以及低反向插损的泵浦信号合束器防止指示光源和泵浦信号合束器被纤芯反射光损坏,通过采用反向泵浦减少拉曼纤芯反射光的功率,具有很强的抗纤芯反射光的能力,可用于高反射率材料的工业加工。
2、受激拉曼散射抑制技术(专利号:ZL202010697765.0):通过在光纤振荡器谐振腔的前后端分别加入拉曼滤除单元,减少外部拉曼光进入光纤振荡器谐振腔,实现将外部产生的纤芯拉曼回光在进入光纤振荡器谐振腔之前被滤除,有效的避免纤芯拉曼回光对光纤激光器的损坏,达到保护激光器内部器件和使激光器在加工材料的过程中输出功率稳定的效果,特别适合高反射率材料的长时间稳定激光加工。
3、增益光纤盘绕技术:净化输出激光模式
激光加工中,如果激光器的输出中出现多个模式,模式之间会产生相互耦合、能量转化,这种不确定性会受到加工过程中所产生的回返光、振动、高低温等因素影响而放大,造成激光器输出功率和光斑形态的波动,不利于高精度加工。净化输出模式则能够保证光斑和功率始终处于非常稳定的状态。
本产品特殊设计的光纤盘绕技术可以在保证转化效率不降低的同时抑制模式不稳定,滤除高阶模式,确保严格的单模激光输出,提高输出光束质量,输出光束质量M2=1.06(近衍射极限)。
在相同熔深、熔宽的条件下,提高光束质量可减少焊接中的热输入,减小热影响区和熔池不稳定性。因此14μm芯径单模激光器产生的焊缝熔宽均匀、稳定,具有明显缺陷抑制效果。
4、失配熔接技术:疏导回返光
当激光加工高反射率材料,例如铜、铝或铝合金时,从材料表面反射的回返光进入激光器后将损伤激光器或影响功率稳定性。通过失配熔接技术,可将90%以上的回返光疏导至光纤激光器以外,有效抑制回返光对激光器的影响,确保输出功率的稳定性。
公司已建成单模一体机产线,具备年生产10000台千瓦级光纤激光模块的能力。DK-3000AR产品在客户处广泛测试和批量应用,在熔宽和熔深等关键效果参数测试中,过程能力指数CPK均高于1.33,满足自动化行业良率要求。动力电池行业有多种方案,比如方盒、软包、圆柱等等,该产品能够适配绝大多数应用场景。
在应用市场该产品的优势主要体现在以下几个方面:
(1)提升焊接稳定性。由于更小的焦点光斑和极高的光束质量,相比芯径20μm单模激光器和50μm多模激光器,芯径14μm单模激光器焊接可明显降低焊接中的热效应,减少熔池飞溅和焊缝缺陷率。
(2)拓宽焊接工艺窗口。基于高亮度、小光斑特点,在不改变焊缝宽度的同时,实现穿透深度可控,拓展了工艺窗口。
(3)具有更大瑞利长度,焦点附近光斑形态变化缓慢,从而避免因工件表面起伏引起离焦量变化,导致焊缝熔宽不均匀、不稳定、产生孔洞等缺陷。
(4)提高生产效率。焦点光斑直径小,焦斑处的功率密度高,在较低输出功率下可以快速熔化铜、铝等高反射率金属,大幅度降低生产能耗,提升生产效率。对于紫铜焊接,在相同功率、相同熔深的情况下,该产品的焊接速率是450mm/s,是芯径20μm单模激光器的1.5倍,是50μm多模激光器的4.5倍。
(5)提高焊缝的深宽比。不锈钢的焊缝深宽比达到8.4,铝的焊缝深宽比达到4.9。
截至目前,公司已为合肥某动力电池厂商累计供应70台以上的3000W激光器,用于其为江淮汽车配套的动力电池模组焊接;该产品还应用于华为某储能电池项目,是其自动化产线的核心器件。除此之外,该产品也在华工激光、逸飞激光、联赢激光等头部激光焊接设备厂商形成了销售,并在比亚迪、宁德新能源等一线终端展开打样测试。目前该产品已在新能源动力电池焊接、航天航空3D打印等热点领域实现批量交付,并得到了知名集成商与终端客户的一致好评,有望在新能源电池焊接领域实现5000万的目标。