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ULS创新

ULS激光源

目前,Universal Laser Systems提供服务的市场中有三种主要的CO2激光器类型。分别是金属芯、陶瓷芯和玻璃管激光器。在每种激光器类别中,都存在几种不同的技术用于控制激光源和为其供电。

  • 激光器的演化

    陶瓷芯激光器在1970年代开发用于商业用途,采用水冷的离子气体激光器形式。玻璃芯激光器使用古老的玻璃吹制构造技术制造低成本的激光源。与此完全相反,金属激光技术的发端则是国防部合同下的军用开发项目,用于最苛刻和任务关键性的应用。军用项目在1980年代末完成。但是,金属芯激光器开发却继续了下去,以便使商业和工业应用中也能用得起高度可靠和好用的激光器。

  • ULS激光器创新

    利用数十年的材料加工经验、大量的专利技术以及世界各地数百万小时的现场服务,ULS为激光切割、雕刻和打标设计了一个高度优化的解决方案:一个集成的气冷金属芯CO2激光源,连同一个模式复制型自由空间板条谐振器,以及一个集成射频电源。这种设计涉及的技术的组合不仅使ULS激光源紧凑,而且同时允许脉冲和真正的连续波(CW)操作。此外,军用级结构和完全再生激光器的能力相结合,使这些激光源可无限维持。

    ULS激光器全家福

    10瓦至500瓦的ULS激光源

    ULS制造10.6µm和9.3µm波长功率范围从10瓦到500瓦的激光器。整个功率范围的所有ULS激光源都集成了空气冷却。激光源向客户提供加工上的几种助益:


  • 优异的激光切割、雕刻和打标质量

    ULS CO2激光源交出市场上所有空气冷却激光源的最好和最稳定的加工质量。这可以通过观察激光源的三个不同方面来衡量:光束功率分布、加工现场的光束差异以及功率随时间的一致性。


    光束功率分布


    ULS激光器具有M2因子为1.1的陡峭高斯功率分布。这种光束对于激光材料加工来说非常理想,因为它允许聚焦光学器件使用尽可能最小的焦点尺寸,将能量最大化地集中在材料之上。小光斑尺寸意味着切割中更小的切口宽度,以及打标、成像和雕刻中的更高分辨率。

    高斯光束
    完全高斯光束的横截面功率分布。无论行进方向如何,高斯光束将产生一致的结果,并且会最大程度提高焦点处的光束功率密度。

    整个加工区的光束差异


    在ULS和许多其他厂商使用的典型龙门式X-Y光束定位系统中,从激光源到加工位置的距离在光路载具穿过加工区时发生着变化。为了保持加工的一致性,焦斑尺寸必须在整个加工区保持一致。与其他厂商不同,ULS激光源使用自由空间谐振器,带来整个激光加工区域更高的焦斑稳定性。这意味着使用ULS激光源进行的激光材料加工将具有更一致的视觉和尺寸特性,而不管加工发生在现场的哪个位置。


    不同时间的功率一致性


    激光源在操作过程中产生相当大的热负荷,导致光学谐振器的轻微机械改变和活性介质温升。这可能造成光束质量和激光输出功率的变化。激光器的热管理是在很宽的热工作范围实现一致结果的关键。过去,采用水冷来管理25瓦以上CO2激光器的热量。ULS率先在CO2激光器上使用空气冷却技术,促进了多项技术进步,使公司能够向市场提供最高达500瓦的空气冷却激光器。ULS也是认识到空气冷却激光器在激光材料加工中优势的领先者之一。空气冷却让人们不再需要昂贵和困难的水冷却器维护,并降低了激光材料加工系统的复杂性和占地面积。ULS是第一家提供全系列采用空气冷却激光源的激光切割、雕刻和打标系统厂商。


    ULS将激光源的三个主要功能块(光学谐振器、电源和热管理解决方案)集成到一个紧凑的套装中。此外,ULS专利的谐振器设计使用高效的模式复制配置,有效地使用活性介质。这种高度的集成、效率和全金属构造让激光器组件可通过一或两台高效的变速风机进行冷却,无论激光器的使用和环境条件如何,都能控制温度的波动。采用陶瓷芯激光源等其他激光技术时,由于陶瓷的导热性显著低于金属,所以冷却变得困难得多。这意味着ULS激光源将在广泛的环境操作条件下,以空气冷却的便利性和成本效益,产生稳定的激光切割、雕刻和打标质量。

  • 高加工生产能力

    激光源在加工生产能力方面所起的作用主要是可用功率、激光响应以及对被加工材料上所施激光能量适当管理的函数。


    可用的峰值功率是激光材料加工生产能力的一个重要考虑因素。更大的激光功率并不总是更好。激光材料加工结果受到许多变量的复杂组合影响,这些变量包括可用峰值功率、波长、功率传输率、功率密度等。尽管更高功率的激光器可以经过调制提供与较低额定激光源相同的平均功率, 但是激光-材料的相互作用并不总是相同。例如,10瓦和50瓦的激光源都可以提供10瓦的平均功率。然而,50瓦的激光器要实现这一点,就必须开20%的时间并在剩下80%的时间保持关闭。如下图所示,50瓦的激光器在20%的打开时间内发射的是最高达50瓦的峰值激光功率,而不是10瓦。在这两种情况下,传输到材料的总能量是相同的,但是在一种情况下,能量以更低的功率水平连续传输,而在另一种情况下,能量以功率水平高得多的短突发形式传输。每种能量传输的方式在材料上可能都产生不同的结果,对于给定应用,激光源的选择取决于需要的结果。一般来说,最好使用这两种类型的激光源来优化各种材料的激光-材料相互作用。

    相同平均功率的脉冲
    显示产生相同平均功率的10瓦和50瓦激光源脉冲示意图。每个矩形表示相同脉冲能量“E”,并且在相同的时间长短发生。虽然平均功率相同,但每台激光器的峰值功率是不同的,这将改变激光能量影响被处理材料的方式。

    此外,所有CO2激光源使其光输出上升至额定功率和降至零功率输出都需要一小段时间。激光器经历这些转变所需的时间长短称为响应时间,这个时间是光栅成像应用中加工生产能力的最重要因素。与旧玻璃管激光技术相比,ULS CO2金属芯激光器显示出优异的响应时间。典型玻璃管激光器的响应时间比金属芯激光器要长得多。这一部分是因为激光器的结构,还有一部分是因为控制电子器件。这显著降低了玻璃管激光系统的成像加工能力。


    在优化激光材料加工结果的生产能力时,激光响应时间非常重要,但并不是唯一的考虑。几家激光系统厂商近年来一直在推动超过100英寸/秒(2.5 m/s)的光栅打标聚焦载具速度。高聚焦载具速度试图用蛮力提高加工能力量,但是更高的速度可能对加工能力产生不利影响,在成像应用中尤其如此。光栅通道之间的重叠是光栅成像时的重要标准。重叠量影响光栅图像的边缘质量以及雕刻区域的平坦度。更高的加工速度降低了施加到材料上的能量密度,因此减少了去除材料的宽度,最终减少了通道之间的重叠。在更高速度下缺少重叠可能需要用户减少线间距(增加LPI——每英寸线数)补偿,这又降低了生产能力。


    就整体而言,激光响应时间和更较高速度下的重叠减小表明,在设计有效的激光切割、雕刻和打标设备时需要谨慎从事。激光能量的正确管理是优化激光材料加工生产能力的关键。能够灵活地以多种方式管理激光能量的激光系统,可显著提高用户的能力,使其能够优化最广泛材料和应用的生产能力。ULS激光源经过设计实现了多种ULS技术,让用户能够以独特和有效的方式管理激光能量传输。

  • 启用多种Universal功能

    ULS激光源是产品和技术生态系统的一个有机组成部分,并结合其他一些独特的Universal功能使用,为每个客户提供最优化的加工解决方案。


    Rapid Reconfiguration(快速重配置)


    所有的激光器均在出厂前参照共同的参考标准进行精确校准,因此ULS生产的CO2激光器几乎与所有的ULS激光切割、雕刻和打标系统兼容。另一项可显著提高加工灵活性和生产能力的功能,就是被称为Rapid Reconfiguration(快速重配置)的ULS专利技术,使用这项技术,激光源可以在几秒钟内从系统中添加和删除,无需任何工具或培训。许多激光切割、雕刻和打标应用对激光能量密度与波长敏感。快速重配置让总激光能量和波长轻松得到重新配置,赋予用户极大的灵活性来优化激光系统配置,满足材料加工需求的广泛多样性。


    双激光器配置


    ULS金属芯CO2激光器采用线性偏振,不同于陶瓷或玻璃管激光器,这允许ULS激光加工系统在同一系统上一次使用多台激光器。多激光器对用户有几个好处:它们可以增加总体系统功率,从而在需要时提高加工能力,并且它们可以使系统更加灵活,能够通过使用一台或两台激光器,根据峰值功率和手头的平均加工功率要求,加工更多品种的材料。双激光配置双激光器技术还实现了对多波长激光源的使用,以进一步提高加工灵活性。一些材料表现出与偏振光的不对称相互作用,在某些情况下不希望这种情况。通过组合两个彼此成90度的线性偏振光束,可以消除由于偏振引起的任何加工不对称性,无论行进方向如何,都可得到一致的激光切割、雕刻和打标效果。ULS是唯一提供双激光配置技术的制造商。


    SuperSpeed(高速模式)技术


    线性偏振还可以实现对SuperSpeed(高速模式)技术的使用,这是另一种独特的Universal功能,可以使光栅打标和雕刻过程中的加工生产能力提升一倍以上。


    系统集成和智能材料数据库


    ULS激光系统和激光源处于持续通信状态,以确保正常的系统运行、加工与安全。激光系统读取所安装每台激光器的额定功率和波长,允许材料数据库自动计算最佳参数。激光器也被集成到系统的安全联锁中。如果有门或维修盖板打开,激光器将立即停止运行,让用户和系统始终保持安全。激光器还保持了一套诊断信息,在激光源受损和需要保养时,可以证明其非常有用。

  • 操作安全

    陶瓷和玻璃激光源都含有脆性结构元件,如果遭受任何类型的冲击都很容易损坏。ULS的金属芯激光器则完全相反,它们由机器人焊接的航空级铝制成,使其成为异常坚固的设备。它们可以轻松地移动、安装、运输和存放,不用担心损坏。


    ULS激光源的紧凑设计也使它们更容易处理:没有水管、冷却器、高压电线或远程射频电源需要管理。水和高压电子器件在系统不能正常工作(例如在发生漏水的情况下)时始终会带来安全隐患。玻璃管激光器的电源工作电压超过25,000V,并且总是通过高压电缆和连接器与其电源远距离连接,带来致命电击的隐患。此外,用于为玻璃管激光源供电的电源,其工作电流范围(30至150 mA)对人体心脏特别危险,会导致去颤电击和死亡。该技术需要这样的高电压来使激光管内的气体离子化。ULS提供的射频激光源相比之下则有根本上的不同,其不使用高电压,因此固有地更加安全。


    ULS激光器还提供数种内置功能,可在安全问题对系统、设施或人员造成损害之前防患于未然。每个激光源中均同时有超温和过冷传感器,如果两种不正常情况有任何一种发生,都会停止工作,从而延长激光器的使用寿命。激光器还硬接线到联锁安全系统,如果任何门或检修盖板打开,加工就会停止。这进一步提高了客户的安全。

  • 高度可靠性和耐用性

    ULS激光源在长使用寿命方面具有令人难以置信的良好往绩。自1997年以来,ULS已经制造了数以万计的金属芯CO2激光器,其中有许多在历经数十年的运转之后依然在正常服役。此外,金属结构还让激光器可以无限期地维修、翻新和重新部署,对陶瓷或玻璃激光源来说这是不可能的,因为它们通常在制造时被胶合或熔焊在一起,不能拆卸。


    当激光源需要翻新时,值得一提的是ULS还有一个业内独有的换机计划。ULS不是翻修激光器,这样做可能导致很长的停机时间,而是迅速将更换的激光源发送给客户进行交换。交换的激光源运到后,只需几秒钟即可安装,旧的激光器则被送回ULS,客户不会有任何停机时间。替换的换机激光源通常在服务请求的24小时内发送给客户。