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动态光束调整在激光切割和焊接应用中的潜力

发布时间:2019/12/05 10:20

调整激光束以获得最佳切割效果

动态光束调整在激光切割和焊接应用中的潜力

发布时间:2019年12月5日

发表人:江苏科茂自动化有限公司

关于:激光切割,数控切割机

激光切割

振镜的激光历史悠久。也称为振镜扫描器,振镜定位器或简称振镜,它们可以将激光束几乎瞬间从一个点移动到另一个点。没有它们,激光应用就不会存在。大多数类型的激光打标,。远程激光束焊接以及新兴的远程激光束切割技术都依赖于它们。

将来,某些关键的钣金和板材切割应用可能会依靠振镜以正确的方式操纵激光束以产生最佳的切割边缘。这来自德国德累斯顿弗劳恩霍夫研究所正在进行的工作,光子学研究人员不仅关注光束质量和轮廓,而且关注光束在切割中的精确运动。

光束的调整

尽管看起来很复杂,但光滑的激光切割边缘的并没有太多的影响因素。您有辅助气体,可以是氧气或氮气。然后,您便拥有了光束本身。

这包括光束的吸收特性,或特定材料吸收特定激光波长的程度。

当然,如果不能将其快速准确地移动到正确的位置,那么世界上最优化的激光束将不会有效。但是,简单地“移动”激光束所涉及的不仅仅是找到从A点到B点的最佳路径。沿着切割或焊接路径,是否可以以提高质量和效率的方式移动激光束?在这里,振镜可能起着越来越重要的作用。

振镜系统由三个主要组件组成:电动机或振镜,反光镜和伺服器-控制系统的驱动器板。《激光聚焦世界》的特约编辑这样写道。

如她所描述的,伺服器驱动检流计,检流计利用电磁的特性操纵反射镜。这些组件组成了所谓的扫描光学器件

扫描光学器件已经成为激光打标,激光焊接甚至某些激光切割应用的核心组件。在远程激光束焊接中,光束焦距以英尺或米为单位进行测量,扫描光学器件会在几微秒内将光束从一次焊接发送到下一次焊接。

最近,扫描光学器件已将光束定向以切割(或更准确地说是烧蚀)非常薄的材料,通常为0.5 mm或更小。激光是在弗劳恩霍夫研发的,几乎瞬时移动,以烧蚀或蒸发切缝中的材料。如果您使用的是0.01至0.10毫米之间的极薄箔片,则激光可以一次消融切口。对于较厚的工件,激光束需要经过多次。无论如何,用肉眼看,扫描光学器件如此迅速地驱动激光,切割几乎可以瞬间完成。

如果没有切割头喷嘴靠近工件,则远程激光束切割无法利用辅助气体排出熔融材料。它依靠消融来形成切缝。对于大多数厚度超过0.5毫米的材料,这使该工艺不可行。

考虑到这一点,您可能会认为激光扫描光学器件对较厚的材料的使用将受到限制。但是早在2008年,弗劳恩霍夫研究人员就提出了另一种想法。

激光切割

 
用厚不锈钢切割的非振荡激光束留下的边缘可能需要额外的修整。

动态光束整形

机械师的工具室配有各种形状和尺寸的铣削和车削刀具。每个工具组件,包括工具主体以及切削刀片的数量和方向,在某些机加工操作中效果更好,而在另一些机加工条件中效果更差,这取决于要切削的几何形状和手头的工件。

在钣金激光切割领域,技术人员的确会改变焦点和(在某些机器上)光束直径以达到最佳切割边缘。但是与机械师选择切割工具不同,典型的薄板和平板激光切割操作中的激光技术人员无法显着改变光束的形状。

多年来,业界一直在努力控制光束特性,以更好地适应特定的应用。但是在2008年,弗劳恩霍夫大学的一些研究人员开始不再只关注激光束的特性,而是着眼于如何利用扫描光学系统移动光束。这种光学器件已经被用来使光束快速移动很远的距离,但是它们是否可以在切割或焊接路径本身中以微小的模式振荡光束呢?如果它们能够以较小的模式足够快地振荡光束,那么光束的新“形状”会改善加工特性吗?

事实证明,它确实如此,至少对于目前已经经过多年测试的某些应用程序而言。将该技术称为动态波束成形

该任务于2008年开始使用CO 2激光器。研究人员将高速振镜放置在聚焦透镜的前面,他们认为以特定的模式振荡光束会在激光切割厚不锈钢时改变切割锋面的角度。

我们能够减少切削刃的表面粗糙度,减少浮渣,而且,如果我们选择正确的参数,我们甚至可以提高切削速度。

大约四年前,实验工作开始在光纤激光器上集成动态光束整形。在这些设置中,研究人员将振镜放置在切割头内,光束准直仪和聚焦光学器件之间。最近,他们还使用了不同的激光电源。

我们不会以任何方式操纵光束特性,我们基本上只是非常快地移动光束,我们拥有许多自由度。我们可以修改振荡频率。我们可以平行于切割方向前后移动光束,并且可以垂直于切割方向振动光束。

请注意,与传统的检流头相比,反射镜的振幅实际上很小。尽管该系统使用了经过改进的振镜设计,以小而紧凑的方式移动光束,但系统中的所有其他组件(准直仪,聚焦透镜和盖玻片)都是现成的常规组件项目。研究人员还使用了传统的氮气辅助喷嘴。(到目前为止,他们还没有解决碳钢的氧气切割问题。)

振镜使研究人员可以自由地尝试多种图案,包括圆形,椭圆形和新月形。最后,他们发现垂直于切割方向的八字形花纹最适合切割厚的不锈钢(见图3和4)。

激光切割
厚材料中的振荡光束会产生边缘干净的切口
 

另一个好处:振动使操作员可以针对各种材料厚度和等级优化一个切割镜片。摇动光束与使用另一个透镜获得更长的焦距具有相同的效果。

最大的开发挑战不一定在振镜本身中,而是在管理光束整形振镜与控制器之间的通信的控制软件中。振动必须随切口的形状而变化。只要切口是笔直的,八字形就保持垂直于切口,但是曲线和拐角呢?

振镜需要移动八字图形振动,以使图形保持垂直于切割方向,即使该切割方向发生变化也是如此。带有许多曲线和轮廓的复杂图案需要振镜和控制器之间保持恒定的通讯。

弗劳恩霍夫研究人员还一直在进行激光焊接中的光束振荡实验,特别是在具有挑战性的应用中,例如异种材料连接,例如铜与铝以及铝与铸铝。

目前,该技术确实有一些局限性。首先,振镜系统仅在最高4 kW的激光功率下才能可靠地工作。除此之外,振镜无法处理来自激光束的强烈能量。其次,振镜可以使光束振荡高达4 kHz,尽管要弄清楚,根据应用的不同,快于4 kHz可能不会影响最终的质量。实际上,到目前为止,在2至3 kHz之间振荡光束时,我们已经获得了最好的结果。

尽管如此,传统振镜可能不是动态波束成形的唯一选择。一个独立研究团队现在正在使用所谓的MEMS微机电扫描仪。基本上,MEMS涉及将扫描机制内置到反射镜本身中。MEMS技术已用于高档汽车上的平视式挡风玻璃显示屏等。

通过使用这项技术,我们可以实现更高的(振荡)频率,另一方面,它受到限制,因为频率是根据镜子的机械设计确定的。

MEMS系统可以使光束一直振荡直至20 kHz,这对于某些应用可能是有利的。但是,一旦该反射镜设计为以特定频率振荡,就无法更改。

 

关键切割和焊接的未来选择

 

此时,仍在为特定的高端应用开发动态光束成形技术,主要是用氮气切割厚的不锈钢-涉及昂贵材料的关键工作

以前可能需要进行加工才能获得所需的边缘质量。

激光切割
用12毫米厚的不锈钢制成的非振荡3 kW光束制成的切口在左侧显示条纹。粗糙度以Rz值或平均粗糙度深度来衡量。
 

我看到在异种材料的激光焊接以及关键材料的激光切割方面的最大潜力。 [光束振荡]再次使它变得更宽容,您可以使用一个聚焦透镜来处理薄而厚的材料。

研究团队尚未针对特定材料的厚度和等级制定“配方”,这涉及特定的激光和切割头性能。例如,如果操作员需要切割特定厚度的不锈钢,则他不能参考向其显示最佳工作形状和频率的图表。目前,变量太多,包括切割路径轮廓,当然还有材料质量,这些变量可能会因批次而异。

DOE(实验设计)策略和基于传感器的调查算法的使用有助于最大程度地减少寻找最佳参数的工作。进行实验的科学家对要做的事情有很好的感觉;她为自己进行的每个设置都有一个计划。但是到目前为止,[标准参数设置]的路径是已知的,但尚未完全理解。

无论如何,在未来几年中,动态光束整形可能会在激光切割和焊接系统中占据一席之地。如果制造商加工不同等级和质量的材料,则在机器上添加光束整形选项可能很有意义。他说:“如果您在一家加工厂工作,并且总是发现自己切割质量不同的材料,[动态光束整形]可能有助于使激光切割成为一个更宽容的过程。”

对于某些希望通过高端材料加工来脱颖而出的制造商而言,对光束进行整形可以帮助使曾经具有挑战性的操作变得相对容易,稳定和高效。
激光切割
弗劳恩霍夫的动态光束整形团队通过以八字形振动光束,从而干净地切割15毫米厚的不锈钢,发现了最佳结果。

江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn

数控切割设备制造商