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切割金属新方法:定制光束形状
作者:Fleming Ove Olsen
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高亮度、高功率固体激光源,如光纤激光器,展现了它们在未来金属切割应用中的潜力。IPU前身为丹麦产品发展学会,即Institute for Product Development,有一个研发的新概念采用了单模光纤激光器进行激光切割,已开始在DOEFLAC和ROBOCUT两个项目中得以应用,并与许多其它项目伙伴开展合作。

最初的实验测试表明,这种新的加工方式有潜力超越先进的光纤激光切割和CO2激光切割,比后两种激光切割技术的加工速度更快、效果更好,而且更便宜。预计,两个项目完成之后,这种切割技术将日益成熟并达到一定水平,可依照通常的商业条件用于制造出产品并销售。

定制光束形状

这些项目基于一个原则,即:与使用单束圆形激光束的传统激光切割相比,新的切割工艺采用了复杂的激光光束形状。利用大功率单模光纤激光器独特的聚焦特性,产生复杂的光束形状,并使之有可能从整体激光能量中分出一部分,以便创建一个“匙孔”,用于激光焊接或激光切割应用中。其余的能量将分配到熔体;在此之前,主光束用来创建一个适当的高蒸汽压力分布在熔融材料表面。这使得它可以将局部压力施加在切口流出的熔体上,这远远超过了在激光切割中常用的同轴气体喷射的压力。结果是,切口非常狭窄。新工艺极具潜力,在较大的切割速度范围内不会产生毛边,而且在狭窄的轮廓切割中也能进行高速切削,产生高质量的切口(图1和图2)。


图1、几种切割方式:典型的激光切割、先进的匙孔激光切割,以及采用定制的激光束进行切割。

而且,通过正确地定制激光光束形状(添加“盖”形的光束形状),即使没有使用切割辅助气体,熔融流体也会沿着入射激光束相反的方向流出切口。因此一个单通道远程切割技术被开发出来,这种技术具有明确的应用前景,比先进的远程激光切割能更有效地从切口处去除熔融物。

光束整形

这种激光切割技术的核心是光束整形,可以通过不同方式实现,例如:设计一个配有单模光纤激光器的系统。通过光束组合结构——而不是把所有的单模传输光束汇入一条大的传输光纤中,就能将这些光束传输到切割头,正如用于大功率多模光纤激光器配置。


图2、原理图:定制激光束的光强。

应用一个单模光纤激光源。采用一种先进的光学系统与一个特别设计的人工全息图(也称为衍射光学器件),将输入激光束转换为辐射模式,以便优化给定的激光切割工艺(图3)。由于光束模式是非对称的(图2),衍射光学器件必须根据实际切割方向转动,如图3所示。


图3、原理图:采用定制激光束模式的远程激光切割系统

关于强激光产生蒸汽压力的机制,早在几十年前激光钻孔和匙孔穿透型激光深熔焊接时就为人所知,局部的蒸汽压力是穿透性钻孔的驱动机理,并且用于产生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的历史,当年一群科学家在弗劳恩霍夫激光技术研究所研究采用CO2激光器对钣金做高速切割。然而,用CO2激光器进行匙孔激光切割仅限于非常薄的板材,这是由于匙孔中形成强大的等离子体,这也在高功率CO2激光焊接中出现。

高亮度光纤激光器的聚焦性能及其波长,使得这类激光器能够在厚板上进行匙孔切割,因为光纤激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因为可以更有效率地将熔化物从切割前沿的中心线除去,匙孔切割比通常的激光切割更高效;在前者的加工过程中,被熔化的材料会在激光束的前方流下去。这使得熔融层厚度更薄,因而确保从熔融表面能够有效地传导热量,表面的熔体前沿吸收了激光,而且需要能量以熔化更多的材料。然而,在匙孔切割中,激光束周边的熔融流体会引发质量问题。熔化物从切割侧边流走,这将使切割质量恶化,因为光纤激光器切割速度很快,但当切厚度增加时,切割质量并不高。

在典型的激光切割和先进的匙孔切割中,同轴气体辅助方式是清除熔融物的唯一动力;切口必须放大,以便减少通过切口处的压力。这里,激光辐照所得到的压强更大,并且在整个切口处都经受着巨大的压力。因此,能够完全根据光路限制来设计定制激光束的新方法,它能切割出比采用先进激光切割方式下更狭窄的切口。


图4、采用定制的激光束形状进行切割,配有辅助气体


图5、对比图:远程激光切割与采用定制激光束形状的切割。

迄今为止开展的实验

迄今为止,采用这种新方法开展的实验显示出在大范围变化的切割速率下有明确的质量改进,并已证明,几乎可以得到无毛刺切割的效果。这两个项目的前景显而易见(图4和图5)。此外,单次远程激光熔化切割的结果(来自通快公司)已经证明,熔化物的去除只能通过激光辐照。

然而通快公司的解决方案是基于一个圆形的激光束,这要求通过散焦来实现上述工作机理。它不是理想的解决方案,因为这种条件下要求熔融物从激光束前方的切口排出去——已经公开的结果清晰地显示了这点。另一个远程切割技术经由弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer IWS)证明,即一个高度聚焦的圆形单模激光束在材料表面上扫描多次,进行深度雕刻。这种技术只适用于薄板切割;由于需要多重扫描,扫描的优势或多或少丧失。

此项目的关键工作目前集中在实验设计中的计算和制造,为测试阶段做准备,并且在丹麦奥尔堡大学建立实验设施,其中包括了一台3千瓦单模光纤激光器。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/28/2013)
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