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      透析光纖激光器金屬切割的巨大潛力
      查看:1020  發稿日期:2016-01-13 19:20:57
      高亮度、高功率固體激光源,如光纖激光器,展現了它們在未來金屬切割應用中的潛力。IPU前身為丹麥產品發展學會,即Institute for Product Development,有一個研發的新概念采用了單模光纖激光器進行激光切割,已開始在DOEFLAC和ROBOCUT兩個項目中得以應用,并與許多其它項目伙伴開展合作。

      最初的實驗測試表明,這種新的加工方式有潛力超越先進的光纖激光切割和CO2激光切割,比后兩種激光切割技術的加工速度更快、效果更好,而且更便宜。預計,兩個項目完成之后,這種切割技術將日益成熟并達到一定水平,可依照通常的商業條件用于制造出產品并銷售。

      定制光束形狀

      這些項目基于一個原則,即:與使用單束圓形激光束的傳統激光切割相比,新的切割工藝采用了復雜的激光光束形狀。利用大功率單模光纖激光器獨特的聚焦特性,產生復雜的光束形狀,并使之有可能從整體激光能量中分出一部分,以便創建一個“匙孔”,用于激光焊接或激光切割應用中。其余的能量將分配到熔體;在此之前,主光束用來創建一個適當的高蒸汽壓力分布在熔融材料表面。這使得它可以將局部壓力施加在切口流出的熔體上,這遠遠超過了在激光切割中常用的同軸氣體噴射的壓力。結果是,切口非常狹窄。新工藝極具潛力,在較大的切割速度范圍內不會產生毛邊,而且在狹窄的輪廓切割中也能進行高速切削,產生高質量的切口。

      幾種切割方式

      而且,通過正確地定制激光光束形狀(添加“蓋”形的光束形狀),即使沒有使用切割輔助氣體,熔融流體也會沿著入射激光束相反的方向流出切口。因此一個單通道遠程切割技術被開發出來,這種技術具有明確的應用前景,比先進的遠程激光切割能更有效地從切口處去除熔融物。

      光束整形

      這種激光切割技術的核心是光束整形,可以通過不同方式實現,例如:設計一個配有單模光纖激光器的系統。通過光束組合結構——而不是把所有的單模傳輸光束匯入一條大的傳輸光纖中,就能將這些光束傳輸到切割頭,正如用于大功率多模光纖激光器配置。

      應用一個單模光纖激光源。采用一種先進的光學系統與一個特別設計的人工全息圖(也稱為衍射光學器件),將輸入激光束轉換為輻射模式,以便優化給定的激光切割工藝。由于光束模式是非對稱的,衍射光學器件必須根據實際切割方向轉動,如圖所示。

        采用定制激光束模式的遠程激光切割系統

      關于強激光產生蒸汽壓力的機制,早在幾十年前激光鉆孔和匙孔穿透型激光深熔焊接時就為人所知,局部的蒸汽壓力是穿透性鉆孔的驅動機理,并且用于產生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的歷史,當年一群科學家在弗勞恩霍夫激光技術研究所研究采用CO2激光器對鈑金做高速切割。然而,用CO2激光器進行匙孔激光切割僅限于非常薄的板材,這是由于匙孔中形成強大的等離子體,這也在高功率CO2激光焊接中出現。

      高亮度光纖激光器的聚焦性能及其波長,使得這類激光器能夠在厚板上進行匙孔切割,因為光纖激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因為可以更有效率地將熔化物從切割前沿的中心線除去,匙孔切割比通常的激光切割更高效;在前者的加工過程中,被熔化的材料會在激光束的前方流下去。這使得熔融層厚度更薄,因而確保從熔融表面能夠有效地傳導熱量,表面的熔體前沿吸收了激光,而且需要能量以熔化更多的材料。然而,在匙孔切割中,激光束周邊的熔融流體會引發質量問題。熔化物從切割側邊流走,這將使切割質量惡化,因為光纖激光器切割速度很快,但當切厚度增加時,切割質量并不高。

      在典型的激光切割和先進的匙孔切割中,同軸氣體輔助方式是清除熔融物的唯一動力;切口必須放大,以便減少通過切口處的壓力。這里,激光輻照所得到的壓強更大,并且在整個切口處都經受著巨大的壓力。因此,能夠完全根據光路限制來設計定制激光束的新方法,它能切割出比采用先進激光切割方式下更狹窄的切口。
       
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