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激光头和激光器的创新是激光切割增长的关键

发布时间:2019/12/09 10:57

激光头和激光器的创新是激光切割增长的关键

激光光学技术和切割头设计的进步有助于对薄而厚的材料进行高质量和高效的切割

发布于:2019年12月9日

发表人:江苏科茂自动化有限公司

关于:数控切割机,激光切割机

激光切割机

多年来,制造商一直在推动改进激光切割机械,以保持不断增长的需求。狂热的存是短暂的,但是机械制造商一直在他们的实验室和测试设施中辛勤劳作,寻找解决效率极限问题的解决方案,因为他们推动了极限。

这些解决方案通常以改变切割头及其所容纳光学元件的形式出现。实际上,可以说这些组件比激光切割机的任何其他组件都要进行更多的研究和开发,这很公平。切割头和光学设计的每项重大进步对于激光切割的持续可行性至关重要。要了解我们在这一领域已经走了多远,我们必须回顾一下我们的起点。

起源

1980年代后期,CO 2激光机首先用于原型制作,尤其是在大型工具和模具制造商中。当时开创性的技术允许对零件进行切割,测试和调整,而无需花费大量金钱来建造用于大型冲压机的硬工具。

到1990年代中期,推广开来。激光正在进入越来越多的车间,通过转塔冲头进行钣金加工。尽管仍比转塔慢,但激光可以切割不常见的形状,而无需复杂的工具组合或咬合,这会留下锯齿状,粗糙的边缘。

随着越来越多的公司在其车间增加激光器,机械制造商被迫提高其激光器的效率。最初的进展利用了新兴的计算能力,尤其是零件嵌套,该功能采用复杂的算法来检查所需的切削。根据材料及其形状和大小,该软件优化了每张纸的处理。共线切割,镜像零件几何形状以及零件中的零件切割(从其他零件的较大切口中加工零件)等新功能使制造商可以从板材中获得更多零件,从而最大限度地利用板材。激光切割比以往任何时候都更有利可图,而制造商对激光切割的迟钝也会导致落伍。

追求效率

在发展的早期,激光头只能使用一个单焦距的透镜进行操作。原始的设计导致了早期激光制造的两个主要挫败感:调整焦点和清洁镜头。两项任务都是手动的,困难的且耗时的,这使机器长时间闲置。机器供应商知道,要提高整体性能并跟上控制的发展,他们必须将注意力转移到光束传输上。

具有多个焦距镜头的机器很快开始投放市场。切换镜头的选项使切割各种材料变得更快,更容易。但是更换镜头仍然很麻烦。整个头都需要移开;然后将镜头组件从头部取下并更换为新的;然后将头放回机器上,重新定心,然后重新聚焦-在机器闲置的时候。为了使激光切割继续发展,下一代的头部必须解决镜片处理问题。

输入自动对焦。借助头部结构中内置的先进技术,光束聚焦现在无需人工干预即可适应所切割的材料。自动对焦被证明可以改变游戏规则。从一种材料更换为另一种材料时,操作员不再需要手动调整焦点以获得最大速度和良好的边缘质量。CO 2激光器可以无缝地从用氧气切割低碳钢到用氮气切割不锈钢,并在整个过程中调整其焦点以获得最大速度和边缘质量。自动对焦还消除了手动处理所涉及的错误空间,从而提高了准确性。

接下来是墨盒式喷头。墨盒使更换镜头变得容易,而不必破坏整个头部。镜头更换通常需要10到30分钟,而且通过将更换时间缩短至几秒钟,商店可以更好地处理更多种类的材料,而又不牺牲生产率。

自动化推动创新

到1990年代中期,激光已经风靡一时,但对效率的渴望并没有消失。墨盒式打印头,自动聚焦和套料均可提高加工速度,但现在人们担心的是,必须以足够快的速度移动材料以跟上速度。
激光切割头
墨盒式激光头大大缩短了镜头更换时间。
 

以托盘更换器的形式引入了第一个自动化技术。这样,激光就可以在一个货盘上切割,而另一位操作员则可以卸载加工过的零件和原料。这样可以将两张纸之间的停机时间缩短到大约30秒。诸如自动装卸系统和多层架塔之类的附加自动化技术于1997年左右开始投放市场,并减少了转换时间,从而减少了操作员在机器上拆卸零件和重新装料的依赖。

自动化的物料处理以及更强大的控制功能使激光切割效率飞涨。对于大大小小的商店来说,否认激光制造在地板上的位置变得更加困难。

随着生产率要求的提高,机械制造商需要设计一种在生产环境中更改焦距和光束尺寸的方法。他们提出了两种解决方案:系统将物理头替换为不同的透镜,以及引入自适应光学系统。自适应光学器件通过放松或挤压光学器件来工作,从而允许机器更改光束的光斑大小,从而改变其焦点。

光纤改变了一切

光纤激光器从根本上改变了我们对激光切割中所有事物的思考方式。CO 2机器使用混合气体,利用气体分子的放大特性和一系列透镜来引导光(请参见图2)。光纤机器发出的光在一组二极管中产生,并通过光纤电缆传输,类似于用于数据传输的电缆。这种特殊的光纤(在图3中以绿色显示)会放大光束,然后再将光束通过传输光纤传送到激光切割头。

光纤激光器还将制造商引入了新的光束波长(光束中光波的实际长度,不要与光束直径,光束形状或功率密度相混淆)。光纤激光器的1微米光束波长增加了对某些金属的吸收,因此增加了可以处理的材料范围,包括铜和黄铜。

传送光纤激光束

通过将多个光学元件减少为一个,不仅去除了移动部件-在制造中几乎总是一件好事-而且消除了与这些部件一起进行的清洁和更换。光纤还可以节省大量能源,这是任何商店都具有的吸引力。与光纤激光器的35%相比,典型的CO 2墙塞效率等级约为10%。换句话说,在光纤激光器消耗的所有功率中,有35%进入了切割。

光纤机器还具有脉冲模式。脉冲或高斯模式在中心具有高能量密度。脉冲或甜甜圈模式在光束周长周围具有较高的能量密度,这又有助于激光更有效地切割较厚的材料(参见图4)。

由于焦点处功率密度的增加,光纤激光切割机的脉冲模式使它们在薄材料中的速度比CO 2快得多,但这也使厚材料的工作变得困难。CO 2系统构建者通过添加脉冲模式来回答。脉冲模式在厚材料方面要好得多,并且产生了非常好的边缘质量。但是,该模式不是薄材料高速切割的最佳模式。在厚材料中,这使CO 2比纤维更有效,但同时也牺牲了较薄材料的进料速度。

两全其美

激光切割行业再次处于十字路口,寻找一种能够平衡CO 2的厚板功率和纤维的薄板速度的激光器。工程师将注意力转向了头部设计和光学器件,以寻求答案。他们找到了改变模式形状的方法。这似乎是答案。现在,某些光纤激光器系统兼具两全其美的性能,即以最快的速度实现薄材料的最大产量,并具有切割高功率CO 2等厚材料的能力。

首批光纤激光器采用盒式头设计和自动聚焦技术,在其CO 2同类产品上有了重大突破。尽管如此,随着功率的增加,商店发现他们正在以更高的速度通过光纤透镜。

光纤激光切割机
二氧化碳机器利用气体分子的放大特性和一系列透镜来引导光。
 

这将我们带到了今天,以及最新的光学头和光学器件共同应对关键挑战的方式。光纤激光器现在可提供全封闭式头部,以保护镜片不受污染。封闭的头部使其内部工作难以接近,但是由于OEM现在可以将其内置于头部中,因此操作人员实际上并不需要进入头部。最新的镜头几乎消除了镜头维护。一些完全封闭和自动的头能够改变光束大小和聚焦,而无需任何人工干预。

某些机器甚至可以动态更改脉冲和脉冲1之间的光束形状(请参见图5)。这样一来,制造商就可以在单光纤激光器上处理几乎任何厚度的任何材料,而无需更换或清洁光学器件。

在整个激光切割的历史中,头部及其光学器件已经帮助克服了行业发展中的一些最大障碍。下一个大问题:全自动,全封闭式光纤头设计会使CO 2激光器过时吗?如果是这样,那一天什么时候到?我的,我们走了多远。

光纤激光切割机

江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn

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