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光纤激光切割技术的新高度灵活性

发布时间:2019/10/20 21:16

光纤激光切割技术的新高度灵活性

光纤激光器提供可编程的光束质量

发布于:2019年10月20日

发布人:江苏科茂自动化有限公

关于:数控切割机激光切割机

光纤激光器光斑


这些是4 kW 光纤激光切割机的五个光束直径。用CMOS相机记录的底部图像显示了聚焦位置的光束形状。
 

光纤激光切割机已成为金属加工行业中钣金切割的首选技术。与他们之前的切割技术相比,它们能够提供无与伦比的生产率,精度和成本效益的操作。

话虽如此,光纤激光切割技术仍有改进的空间。当前在制造车间中使用的许多系统都配备了光纤激光器,该激光器会产生特定大小的光束宽度,从而限制了它们的灵活性。例如,当出售早期的光纤激光器时,它们主要用于切割薄金属板;与CO 2激光产生的光束相比,激光束的小光斑尺寸提供了更多的聚焦功率,并可以通过薄规格的金属片快速切成薄片,但与较厚的金属较难。手动和自动系统的出现改变了这种情况,该系统可以改变激光器的光斑尺寸,但是这些系统具有复杂的切割头,这在某些人的眼中提出了一些可靠性问题。

现在已经开发出了新一代的光纤激光技术,可以满足对束斑尺寸灵活性的要求,而无需担心切割头。这一突破使得可以直接从光纤激光器快速调整光斑尺寸,并通过单个激光源对各种材料和厚度进行优化切割。

这种独特的功能极大地扩展了切削工具的性能和灵活性。

CO 2激光器为早期的激光切割工具提供了动力。这些激光器使用通过放电激励的充气管产生激光,从而成为21世纪初期工厂的主力军。然而,CO 2激光器相对较大,效率低下且易碎,并且它们需要定期维护和昂贵的消耗品。而且,镜子和吹扫光束管的复杂系统易于因污染,未对准以及环境条件(例如温度和振动水平)的变化而退化。但是,由于CO 2激光器具有良好的边缘质量,因此继续用于切割厚金属。

灯泵浦:YAG激光器出现在1990年代。他们使用固态增益介质(掺有稀土元素钕的晶体YAG棒),从而消除了对消耗性气体的需求。但是,Nd:YAG棒由宽带弧光灯供电,宽带弧光灯的光学效率低,并产生大量的废热。Nd:YAG激光器的近红外波长(〜1μm)允许光束通过光纤(引导光的玻璃细线)传输到处理头,从而消除了自由空间光束在光纤外部的传输。激光腔。

在1990年代后期,半导体(二极管)激光器开始取代灯作为Nd:YAG激光器的泵浦源,从而完成了向全固态激光器的过渡。二极管泵浦固态(DPSS)激光器可有效地将电转换为光能,从而比灯泵浦激光器提供更高的净效率,同时减少了对功率和冷却​​的需求。稀土掺杂磁盘是作为固态增益介质的替代几何形状而开发的,与Nd:YAG磁棒相比,它可以实现更有效的热管理,并可以进一步扩展到更高的功率。尽管激光腔仍然由自由空间光学元件组成,但DPSS激光器与将纤维传送到处理头兼容。

同样在1990年代,掺稀土的光纤作为光通信的一种新的增益介质出现了。光纤激光器具有独特的实用性和可靠性,因为它们消除了对诸如镜子之类的自由空间光学器件的需求。二极管泵浦源通过光纤传输到增益介质。空腔由光纤构成,并且由于激光束在光纤内产生,因此自然地支持光纤的传输。纤维增益介质的大表面积体积比可实现高效冷却。

光纤激光器因其独特的特性而引人注目:

  • 激光腔内或外没有自由空间光学器件(直到处理头)
  • 密封的无对准光路,消除了退化和失效模式的可能性
  • 高壁挂效率,最大程度地降低了电源和冷却要求
  • 不受环境条件和光功率水平影响的高光束质量
  • 无需日常维护,耗材或校准

光纤激光切割的状态

上面的讨论解释了为什么光纤激光器可以提供最佳的效率,可靠性和运营成本,但是金属切割速度和边缘质量又如何呢?在这里,情况更加复杂。


激光切割机不同厚度的边缘质量


显示了使用标准的4kW光纤激光器和100μm进料光纤和4kW电晕光纤激光器进行的低碳钢氧气辅助切割的比较。上面的图显示了切割速度,下面的图显示了测得的边缘粗糙度值。显示边缘质量的照片显示在图表下方,光束图像包含在每张照片下方。
 

一个典型的车间需要处理多种金属和厚度的混合物,而当前激光技术的局限性迫使工具集成商和最终用户不得不牺牲一些东西。他们需要激光切割技术,该技术可以调整光斑大小以切割各种金属厚度。不具备此功能的商店可能会配备多台激光切割机,例如用于光度计的小光束光纤激光工具和用于较厚板材的大光束光纤激光或CO 2激光。

确实具有其激光切割机的光斑尺寸调节功能的商店有其自身的顾虑。有些必须手动更换切割头中的聚焦透镜以优化光纤激光光斑的尺寸,这会导致每次更换透镜时生产率下降。在此手动交互过程中,制造商还可能污染透镜或切割头。

拥有自动改变光斑尺寸的激光切割机的车间必须了解机床的机械原理。现有的自动化方法通常采用机动自由空间光学器件。示例包括专用切割头,光纤到光纤耦合器,改变发射条件进入光纤的自由空间到光纤耦合器,或具有两到四个输出耦合到独立工艺光纤的光纤到光纤开关。

这种自由空间光学方法需要大量的成本和复杂性,并可能降低工具的性能和可靠性。” “它们还对未对准,污染和环境条件敏感;引入功率依赖性(热透镜)和光学损耗;或切换速度慢。

专用切割头通常比标准的固定光学切割头更大,更重,从而导致加速度降低,并对龙门架和电机提出了额外的设计要求。

这种制造车间被迫在工作组合的灵活性,工具性能和可靠性之间做出折衷的情况促使nLIGHT研究人员寻找一种方法来提供可以直接在激光源之外完成的光斑尺寸调整。当时的想法是,这样的发展将使制造商在使用工具和降低零件成本方面具有明显优势。

改变激光源的光束直径

该研究导致了最近推出的光纤激光器产品。它可以直接从馈入光纤快速调整光束质量(光斑尺寸)。这种全光纤技术不需要任何自由空间的光学器件,从而消除了其相关的缺点和故障模式。

光纤激光器已经显示出通过提高薄板的切割速度和厚板的边缘质量,可以达到高达4 kW的切割性能,该性能与更高功率的光纤激光器甚至CO 2激光器相同或更高。这种多功能性是在光纤激光器内部,光纤内部实现的,而无需改变切割头。光纤激光输出光束的光斑大小在100微米至300微米之间可调。图1显示了具有五个光斑大小设置的电晕光纤激光器的输出光束直径和光束形状。

当切割厚金属时,光纤激光器在边缘质量方面产生了一些值得注意的结果。图2显示了用具有100μm进给光纤的标准4kW光纤激光器和4kW的Corona光纤激光器切割的低碳钢的切割速度和表面粗糙度。所有测试均使用放大倍数为1.5倍的固定光学切割头,辅助气体为氧气。图表下方显示了说明边缘质量的照片,并针对每种情况显示了最佳的电晕光束形状。

主要观察结果:

•对于厚度大于0.25英寸的产品,光纤激光器提供了非常好的边缘质量,与传统光纤激光器相比,粗糙度降低了三倍。对于标准光纤激光器,零件始终从骨架上​​掉落的最大厚度为0.75英寸。电晕光纤激光器的厚度基本上可以扩展到1英寸或更高,并具有出色的边缘质量。

•用电晕光纤激光器切割的厚零件的粗糙度要比用标准光纤激光器切割的厚零件的粗糙度小得多。1英寸的测量粗糙度。用新的纤维源切割的低碳钢甚至小于0.5英寸。用标准光纤激光切割低碳钢。

“电晕的另一个优点是光束调谐非常迅速,从最小直径到最大直径的过渡时间不到30 ms。

在光斑尺寸变化期间,电晕光纤激光器将继续以全功率运行,并且可以结合折射率光斑尺寸的变化即时调整激光功率和调制参数。这意味着快速调谐可以在切割过程的每个步骤(穿刺,标记,转弯以及切割大或小的特征)中实现最佳的光束特性,而不仅仅是切割不同的材料或厚度。


江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn
数控切割机制造商