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透析光纖激光器金屬切割的巨大潛力

查看：3304 　發(fā)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(xiàn)了它們在未來金屬切割應(yīng)用中的潛力。IPU前身為丹麥產(chǎn)品發(fā)展學(xué)會，即Institute for Product Development，有一個研發(fā)的新概念采用了單模光纖激光器進(jìn)行激光切割，已開始在DOEFLAC和ROBOCUT兩個項目中得以應(yīng)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(jìn)的光纖激光切割和CO2激光切割，比后兩種激光切割技術(shù)的加工速度更快、效果更好，而且更便宜。預(yù)計，兩個項目完成之后，這種切割技術(shù)將日益成熟并達(dá)到一定水平，可依照通常的商業(yè)條件用于制造出產(chǎn)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(tǒng)激光切割相比，新的切割工藝采用了復(fù)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(chǎn)生復(fù)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(chuàng)建一個“匙孔”，用于激光焊接或激光切割應(yīng)用中。其余的能量將分配到熔體；在此之前，主光束用來創(chuàng)建一個適當(dāng)?shù)母哒羝麎毫Ψ植荚谌廴诓牧媳砻�。這使得它可以將局部壓力施加在切口流出的熔體上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在激光切割中常用的同軸氣體噴射的壓力。結(jié)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(nèi)不會產(chǎn)生毛邊，而且在狹窄的輪廓切割中也能進(jìn)行高速切削，產(chǎn)生高質(zhì)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(yuǎn)程切割技術(shù)被開發(fā)出來，這種技術(shù)具有明確的應(yīng)用前景，比先進(jìn)的遠(yuǎn)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(shù)的核心是光束整形，可以通過不同方式實現(xiàn)，例如：設(shè)計一個配有單模光纖激光器的系統(tǒng)。通過光束組合結(jié)構(gòu)——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?shù)角懈铑^，正如用于大功率多模光纖激光器配置。

應(yīng)用一個單模光纖激光源。采用一種先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)與一個特別設(shè)計的人工全息圖（也稱為衍射光學(xué)器件），將輸入激光束轉(zhuǎn)換為輻射模式，以便優(yōu)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(xué)器件必須根據(jù)實際切割方向轉(zhuǎn)動，如圖所示。

采用定制激光束模式的遠(yuǎn)程激光切割系統(tǒng)

關(guān)于強激光產(chǎn)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(qū)動機理，并且用于產(chǎn)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(dāng)年一群科學(xué)家在弗勞恩霍夫激光技術(shù)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(jìn)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(xiàn)。

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(jìn)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(dǎo)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(fā)質(zhì)量問題。熔化物從切割側(cè)邊流走，這將使切割質(zhì)量惡化，因為光纖激光器切割速度很快，但當(dāng)切厚度增加時，切割質(zhì)量并不高。

在典型的激光切割和先進(jìn)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(jīng)受著巨大的壓力。因此，能夠完全根據(jù)光路限制來設(shè)計定制激光束的新方法，它能切割出比采用先進(jìn)激光切割方式下更狹窄的切口。

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