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        光纖激光器的突破——可調光束質量可實現薄金屬和厚金屬的優化切割
        材料來源: 江蘇激光產業技術創新戰略聯盟           錄入時間:2022/4/13 23:29:45

        據悉,由于光纖激光器無與倫比的生產率、精度和成本效益,鈑金切割市場被光纖激光器主導。

        激光行業中最緊湊的5kw光纖激光器可以配備nLight的新Corona技術。

        由于“全光纖”設計,不同的光束輪廓、直徑和功率分布是可能的,并且可以根據工藝在全功率下進行更改。(圖片來源:nLight / Optoprim)

        2-4kW范圍內的光纖激光器已經成為許多制造車間的主要設備,與傳統的切割技術(如CO2激光器和等離子炬)相比,它可以提供更快、更精確的切割薄金屬。然而,許多光纖激光系統是為切割有限范圍的金屬厚度而設計的。具體來說,小的、聚焦緊密的激光束為薄板提供了最快的切割速度,但對于較厚的板材,這種小光束在邊緣質量和最大厚度方面有很大的限制;蛘,更大的光束可以改善厚板的邊緣質量,因為切口更寬,但切割薄板的速度會大大降低。

        大型制造車間可能會購買多種光纖激光工具,其中每種工具都專用于切割特定厚度范圍:用于測光儀的小光束系統和用于較厚板材的大光束系統。如果規模較小的生產車間僅限于一個生產點,尤其是在工作組合多樣化的情況下,依靠一種工具切割全系列金屬的生產效率會較低。通常會更換切割頭中的聚焦透鏡,以便更好地優化給定工作的激光光斑大小。當激光器不切割時,每次更換鏡頭都會導致生產力損失,并且有可能污染鏡頭和切割頭,這可能會導致災難性故障、重大維修成本和停機時間。

        自動調整激光光斑大小的能力將極大地擴展光纖激光器的適用性、生產率和加工窗口。大多數現有方法需要機動自由空間光學元件。例子包括變焦切割頭、光纖到光纖或自由空間到光纖耦合器(可改變光纖的發射條件),或光纖到光纖開關(具有兩到四個耦合到獨立工藝光纖的輸出)。這種自由空間光學方法需要大量成本和復雜性。大型制造車間可能會購買多種光纖激光工具,其中每種工具都專用于切割特定厚度范圍:用于光規的小光束系統和用于較厚板材的大光束系統。

        如果規模較小的生產車間僅限于一個生產點,尤其是在工作組合多樣化的情況下,依靠一種工具切割全系列金屬的生產效率會較低。這些商店通常會更換切割頭中的聚焦透鏡,以便更好地優化給定工作的激光光斑大小。當激光不切割時,每次更換透鏡都會導致生產率損失,并且有可能污染透鏡和切割頭,這可能導致災難性后果,并可能降低刀具性能和可靠性。它們對錯位、污染和環境條件(溫度、振動)很敏感,引入功率依賴(熱透鏡效應)和光學損耗,以及/或切換速度慢。變焦切割頭包含電機化鏡頭,比標準切割頭更大、更重,導致加速度降低,并對機架和電機提出了額外的設計要求。采用這些方法的工具設計師需要將成本、性能和可靠性負擔轉嫁給他們的客戶(最終用戶)。

        現有激光光源的光斑尺寸缺乏可調性,因此迫使工具集成商和制造車間在工作組合的靈活性、工具性能和可靠性之間進行選擇。這種妥協抬高了成本,并將生產率拋在了一邊。

        光纖激光器的突破

        nLight開發了一種新穎的全光纖技術“Corona”,可以直接從饋電光纖中快速調整光纖激光光斑大小,范圍超過3倍,沒有任何自由空間方法的缺點。此外,Corona光纖激光器提供的光束形狀顯示出了對各種金屬的切割質量的提高,包括平頂和環形光束。與傳統光纖激光器相比,功率為4 kW的Corona光纖激光器在低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅的薄板金屬切割方面,性能得到了極大改善,適用于厚度達25 mm的低碳鋼,開發了“universal”工具,用于優化切割各種金屬厚度。

        Corona光纖激光器輸出光束可在~100和~300μm之間連續調諧。為便于工藝優化,提供了固定數量的設置(“指數”值)。例如,圖1顯示了具有六個折射率設置的Corona光纖激光器的輸出光束直徑、BPP值和光束形狀。 

        圖1具有六個折射率設置的4kWCorona光纖激光器的光束直徑。底部圖像顯示了用CMOS相機記錄的相應近場空間輪廓(即切割頭下方焦點附近的光束形狀)。光束參數乘積值在光束圖像下面給出。

        如圖1所示的光束圖像所示,饋電光纖分為引導激光束的區域。許多不同的Corona光纖設計可以滿足廣泛的應用。在圖1所示的設計中,饋電光纖由一個100μm的中心纖芯組成,該纖芯由兩個直徑分別為200μm和300μm的環形引導區包圍。通過改變這三個引導區之間的激光功率分配,可以調整光束直徑和光束形狀。Corona的關鍵和前所未有的特點是,光束形狀的調諧完全在光纖內完成,沒有自由空間光學元件,從而保持光纖激光器的所有性能、穩定性、效率和可靠性優勢。在每個指標設置下都有完整的激光功率。

        Corona的另一個優點是光束調諧非常迅速,從最小直徑到最大直徑的過渡時間小于30 ms。在折射率變化期間,光纖激光器繼續以全功率運行,無需在改變光束形狀時關閉(或“空白”)激光器。Coron的快速調諧使切割過程的每一步都能使用最佳光束特性,而不僅僅是切割不同的材料或厚度。例如,在穿孔順序與切割或直線切割與轉彎期間,可以使用不同的指標設置。

        如圖1所示的光束圖像所示,饋電光纖分為引導激光束的區域。設計中,饋電光纖由一個100μm的中心纖芯組成,該纖芯由兩個直徑分別為200μm和300μm的環形引導區包圍。通過改變這三個引導區之間的激光功率分配,可以調整光束直徑和光束形狀。Corona的關鍵和前所未有的特點是,光束形狀的調諧完全在光纖內完成,沒有自由空間光學元件,從而保持光纖激光器的所有性能、穩定性、效率和可靠性優勢。在每個指標設置下都有完整的激光功率。

        Corona的另一個優點是光束調諧非常迅速,從最小直徑到最大直徑的過渡時間小于30 ms。在折射率變化期間,光纖激光器繼續以全功率運行,無需在改變光束形狀時關閉(或“空白”)激光器。Corona的快速調諧使切割過程的每一步都能使用最佳光束特性,而不僅僅是切割不同的材料或厚度。例如,在穿孔順序與切割或直線切割與轉彎期間,可以使用不同的指標設置。

        Corona金屬切削性能

        包括激光切割在內的一般金屬切割市場由厚的低碳鋼(MS)板主導。與其他激光系統相比,Corona光纖激光器在厚MS切割的邊緣質量和最大厚度方面具有獨特的優勢。圖2顯示了使用標準4千瓦光纖激光器和100μm饋電光纖以及4千瓦Corona切割MS的照片。所有試驗均使用1.5倍放大的固定光學切割頭,輔助氣體為氧氣。圖中給出了每種情況下的最佳Corona束形狀,以及切割速度和測量的表面粗糙度。

        圖2使用標準4kW光纖激光器、100μm饋電光纖和4kW Corona光纖激光器對低碳鋼進行氧輔助切割的比較。左圖顯示切割速度,右圖顯示測量的邊緣粗糙度值。顯示邊緣質量的圖片在圖片的上方,光束圖像包含在每張圖片的旁邊。

        主要觀察結果如下:

        對于最薄的樣品(6.6 mm),最佳Corona束直徑為100μm。兩臺光纖激光器的切割速度和邊緣質量與預期相似,因為在此設置下,激光器的光斑尺寸和BPP相似。

        對于較厚的樣品,Corona光纖激光器提供了顯著更好的邊緣質量,粗糙度降低了3倍。這些樣品的最佳光束直徑大于100μm。

        對于標準光纖激光器,提供一致跌落性能的最大厚度為19 mm。Corona光纖激光器的范圍大大擴展至25.4 mm厚,邊緣質量突出。

        與使用標準光纖激光器切割的零件相比,使用Corona光纖激光器切割的零件的粗糙度對厚度的依賴性要低得多。用Corona切割的25.4mm MS的測量粗糙度甚至小于用標準光纖激光器切割的12.4mm MS的粗糙度。這種高邊緣質量減少或消除了對昂貴且耗時的后處理步驟的需求。

        Corona光纖激光器的切割速度與標準光纖激光器相同或略快(約5%)。

        顯示了用標準光纖激光器和Corona切割25.4mm MS的特寫照片。用標準光纖激光器切割的金屬上的熔渣可防止零件持續掉落,而用Corona切割的樣品則表現出持續的跌落性能。這種顯著的改進對于實現工廠自動化和“關閉”操作至關重要,這是降低制造成本的關鍵新興趨勢。除了減少粗糙度外,圖3中所示的更好的邊緣直線度和垂直度對于焊接等應用是至關重要的。

        使用標準4kW光纖激光器(頂部)和4kW Corona光纖激光器(下方)對25.4mm低碳鋼進行氧氣輔助切割。Corona提供的顯著更好的邊緣質量是顯而易見的。具體來說,使用Corona,粗糙度降低了3倍,邊緣明顯更直,垂直度大大提高。Corona提供了一致的跌落性能,而傳統光纖激光器則沒有,因為零件底部邊緣有熔渣,邊緣呈凹形。

        需要注意的是,Corona光纖激光器提供的邊緣質量和厚度范圍優勢不會導致速度損失(圖2),切割工具采用標準的固定光學切割頭。這種“不妥協”的性能是任何其他技術都無法實現的,源自獨特的,全光纖設計的Corona。

        為了證明使用Corona光纖激光器切割過程的穩定性,制作了具有小特征的具有挑戰性的形狀。圖4顯示了一個25.4mm MS零件,其腹板非常窄(2.8mm寬)。即使在這個狹窄的特征上,邊緣粗糙度和垂直度也非常好,沒有證據表明對面有燒穿。Corona光纖激光器的可調諧光束大小和形狀能夠在厚的MS板上連續產生窄的、高縱橫比的特征,以及小孔和精確的拐角。

        圖3使用4 kWCorona光纖激光器從低碳鋼板上切割的代表性零件中的窄高寬比特征。窄腹板截面寬2.8 mm,厚25.4 mm。

        我們還探索了使用4千瓦Corona光纖激光器對低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅進行氮氣輔助切割。在大多數情況下,最小的指標設置可提供最佳性能,切割速度和邊緣質量與標準4千瓦光纖激光器相似。這個結果是預期的,因為指數0提供了工件上的最高功率密度。然而,對于某些較厚材料的氮切割,較高的指數設置為某些應用提供了更好的邊緣質量,由于功率密度較低,速度會受到影響。在這些情況下,最佳指標設置是特定于應用的,Corona允許工具集成商或最終用戶根據應用定制邊緣特性。

        業界領先的可靠性

        所有nLight光纖激光器都包括基于硬件的堅固保護裝置,以防工件反射,從而實現高反射材料的不間斷加工。該設備保留了這種高背反射耐受性,這些光纖激光器已用于切割和焊接銅和其他反射材料。

        在加速壽命測試中對Corona壽命進行了表征。一個試樣在其指標設置中循環,每次設置的停留時間為100 ms,并定期測量光束直徑,以尋找性能的漂移或退化。超過1340萬個指數變化,所有指數設置的光束直徑保持在4%以內,沒有系統性變化或漂移。因此,Corona光纖激光器具有高性能光纖激光器的長壽命和免維護運行特性。

        nLight光纖激光器設計用于快速現場服務,即使是在工廠環境中。此外,工具操作員可以接受診斷和維修激光的培訓,確保最大的工具正常運行時間。本文介紹的光纖激光器保留了這些可用性優勢,使基于Corona的工具能夠進一步區分。

        結論

        Corona光纖激光器代表著相對于標準光纖激光器和之前提供可調諧光束質量的技術的重大進步。主要優勢包括:

        創新的全光纖設計消除了與自由空間光學相關的所有性能和可靠性缺陷。

        它們不需要外部光纖到光纖耦合器和開關、電動光學元件或變焦處理頭。

        切換速度非?欤ㄐ∮30毫秒),激光器可以在改變光束形狀的同時保持滿功率運行。

        無需維護或校準,即使在數百萬次折射率變化后,仍能保持光纖激光器的長壽命。

        它們的添加不會增加光纖激光器的功耗、降低效率或增加尺寸、重量或安裝要求。

        所述光纖激光器平臺具有廣泛的通用性。它適用于許多其他光束尺寸、形狀和發散度,以及其他激光功率水平。

        它們的光束質量可調,現在可以開發“通用”工具,用于優化切割各種金屬和厚度。車間或工廠不再被迫選擇性能受損、采購多種工具和/或使用復雜、昂貴且脆弱的自由空間光學技術。

        (文章轉載自網絡,如有侵權,請聯系刪除)


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