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分析固态激光器的潜力

发布时间:2020/01/26 08:47

分析固态激光器的潜力

光纤激光技术开始渗透市场

发布于:2020年1月26日

发布人:江苏科茂自动化有限公司

关于:激光切割

激光头
光纤激光器开始在钣金制造中留下自己的身影。

激光释放出自然界的光子,即光子的力量。要制造激光,您基本上是将电子激发或“泵入”宿主介质,以便它们产生更多的光子,放大光谐振器(也称为泵浦腔)中的能量,然后将产生的光束发送到该位置。聪明的人发现了实现此目标的各种方法,并且他们可以越有效地迫使这些光线进入自己喜欢的光束,效果就越好。

小斑点,大机会

成立于1979年,位于米兰和威尼斯之间,位于维罗内拉农业小村庄的郊区,并且已经发展成为专门生产薄板金属零件的公司。光纤激光技术使车间可以切割多种材料,包括高反射率的材料,例如铝,铜和黄铜,所有这些材料恰好构成了主要工作:电气外壳,烤箱组件等。光纤激光器使该公司能够在以前只存在有限的业务或根本没有业务的领域接受更多订单。

他用一个非常小的孔的图案支撑了一个组件。例如,在农业领域的钻探应用中,使用光纤激光减少切缝宽度意味着我们可以加工出很小的孔,这使我们能够接受我们否则会接受的订单。必须拒绝。

去年,购买了钣金切割系统,该系统配有2kW光纤激光器 。从远处看,它看起来与传统的切割激光器相似,但有重要的区别。它有一个有色玻璃外壳,专门为光纤激光器设计。冷却器很小,激光电源也很小。据称,这将产生一种激光,该激光能够切割0.028英寸至0.40英寸厚的低碳钢,而无需更换聚焦头中的透镜。仅需要更换喷嘴。

在材料厚度之间切换时无需更换透镜,因为光纤激光器的小光斑尺寸即使使用长焦距透镜也可以进行高速切割。

而且裁切速度快,尤其是在薄片上。在20号低碳钢上,其传播速度是4 kW CO 2激光器的两倍。总体而言,该机器最多可切割0.709英寸厚的钢,不超过0.394英寸厚的不锈钢,不超过0.315英寸的铝,以及可切割至0.197英寸的黄铜(是的—铜和黄铜)。

光纤之路

在金属制造中,没有任何一种激光能够像CO 2气体那样深入市场。为了产生激光,当CO 2分子与氮分子碰撞时被泵浦,在谐振腔内来回反射。可以将CO 2分子视为一个弹性带,在其两侧有氧原子,在中心有一个碳原子。每当此带以某种方式拉伸或变形时,它都会产生一个光子。连续重复进行数十亿次操作,您将获得一台强大的激光,如今这些激光足以切割厚板。

CO 2激光器是工业上的主力军,其原因是:与Nd:YAG等其他传统技术相比,它便宜,并且光束质量适合切割和焊接金属。但这确实有弊端。CO 2激光器需要大量的激光气体。为了使光束从谐振器到达金属,需要仔细对准并维护反射镜。而且,就功耗而言,它们并不是最高效的系统。它们消耗大量能量并产生需要冷却的极热气体。这基本上就是为什么CO 2激光器的壁塞效率(或电能消耗的光功率)仅为10%到12%的原因。

考虑到闪光灯/电弧灯Nd:YAG的壁挂效率为3-4%,这是很高的。在这些系统中,一盏灯泵浦一个晶体棒来产生光束。Nd:YAG激光器具有CO 2没有的几个优点。Nd:YAG激光器是固态激光器,不需要激射气体,并且由于其波长较低,因此可以通过光纤传输光束-不再需要反射镜,也不再需要校准问题。

但是这些优点并不能使系统更节能或更便宜。闪光灯/电弧灯发出各种波长,只有少数几个被晶体棒吸收。杆的加热也不均匀,表皮较热,中间较冷,这导致光束质量较差,因此通常不是切割的最佳选择。

朝着正确方向迈出的第一步是用二极管激光器关闭灯,二极管激光器使用半导体作为激光介质,并具有很高的壁塞效率。如果您想切割大多数金属,则二极管激光器的低功率和光束质量会让他们感到有些不足。但是,这些设备可用于泵送另一种功能更强大的激光器的活性介质。对于YAG,这些二极管激光器可以泵浦特定波长的棒,这意味着浪费的能量更少。这提高了Nd:YAG的墙塞效率,但仍无法使光束质量接近CO 2激光器。为此,除其他外,您需要消除这种热量变化。

研究人员需要一种表面积更大,可以均匀有效吸收热量的东西:从技术上讲,这可以增加所谓的表面积与体积之比。多年来,他们找到了实现此目标的几种方法,其中一种方法导致了现在的光纤激光器技术。

这些激光器不是使用晶体棒作为激发介质,而是使用掺有稀有元素(包括)的双包层光纤。最初在电信业务中开发的这些盘绕光纤很长,比Nd:YAG的棒具有更大的表面积,因此增加了极为重要的表面积/体积比。热量均匀分布,并产生高质量的光束。

多个二极管激光器将特定的电磁波长发射到耦合器中,然后耦合器将其馈送到盘绕的双包层光纤中。全内反射可有效地在纤维壁内遏制和传输这种能量。可控的释放和反射得以实现。在光纤末端使用布拉格光栅,以物理学家的名字命名设计用于切割,焊接,熔覆或其他工艺的光学元件。

从光纤开始的激光能量会留在光纤中,直到传递到工作对象为止。

纤维优势

2kW光源包含由泵浦双包层光纤的二极管组成的模块。由于系统产生的多余热量较少,因此光纤激光器仅需要小型冷却器。整体墙塞效率约为28%,是CO 2的两倍以上。

结果是通过光纤传输的高效,固态(维护较少),高功率,短波长,高光束质量的激光器。而且由于光束是通过光纤传输到头部的,因此光束路径的长度不会改变,从而消除了对复杂而昂贵的补偿装置的需求。

光纤激光切割系统很容易被有色玻璃发现,其设计使操作员可以安全地凝视工作,并免受另一侧看不见的散射或漫反射激光束的影响。尽管这些机器不使用激射气体,但它们确实使用了常见的辅助气体,例如氧气,氮气,氩气和压缩空气。

然后就是速度优势。在20至22规格的薄的材料上,光纤的切割速度是4 kW CO 2激光器的两倍。但是,在激光器厚度范围的较高级别,2千瓦光纤和4千瓦CO 2之间的速度差变为零。速度发生交叉的地方是7号和12号之间。随着材料变厚,功率在方程式中变得越来越重要,速度优势就消失了。

实现极高的功率可能很复杂,但是光纤激光器可扩展性的想法仍然是优雅的模块化。通常,只要传输光纤的直径足以处理馈入其中的所有能量,则连接在一起的二极管模块越多,获得的功率就越大。近年来,开始生产50 kW的光纤激光器。当然,大多数制造操作都不需要这么高的激光功率,但是这些激光器甚至可以以这种功率生产的事实同样令人印象深刻。

机器成本有问题吗?并非如此。我们从2 kW光纤激光器获得的性能与4 kW CO 2相当。这两台机器之间的价格差基本上为零。

因此,如果我可以将切割速度提高一倍,并且操作成本降低六倍,那么我就对光纤激光器的市场前景形成了自己的看法。

关于效率和质量

今年早些时候,激光转向了50。1960年5月16日,休斯研究实验室的西奥多·迈曼成为了地球上第一个通过受激辐射发射来增强光放大的人。自从1970年代末出现第一台商用钣金切割激光器以来,该技术已经改变了许多金属制造工艺。

根据消息来源,毫无疑问,CO 2激光系统将在未来几年内继续成为行业的主力军。例如,在意大利,组合式的CO 2激光/打孔系统仍保留,并且可能很快就不会使用。车间的光纤激光器是另一种工具,可帮助您尽快高效地生产优质产品。与Pres Metal的其他车间系统一样,光纤激光机具有熄灯功能和自动物料处理功能。自去年安装以来,该公司已在周末每班运行三班,每周连续运行52个小时,无人值守。

我们白天生产样品,小批量生产,而无人值守的夜班和周末则需要更长的生产时间。

无论采用哪种新的机床技术,这种效率都将是各地制造商的目标。

回答有关光纤激光器的问题

光纤激光器是一种独特的激光器。光束通过纤维传输,光束质量适合切割金属。Nd:YAG 不会在气体泵室(如CO 2)或泵浦的晶体棒中产生激光功率。取而代之的是,功率来自二极管泵浦的双包层有源光纤线圈。激光的波长很短,可以穿透一些反射率最高的材料。光纤激光机器的绿色玻璃外壳可以发现眼睛,从而保护眼睛。

光纤激光器是可扩展的。二极管模块可以组合在一起以产生更大的功率。通常,模块越多,功率和速度就越大。在钣金和钣金切割领域,一些功率正在整合,这在大多数常规金属制造操作中是闻所未闻的,在某些情况下高达10 kW。

光纤激光器可以非常快地切割某些材料。它们是固态的,据机器供应商称,它们的运行成本更低。它们的短波长可以被反射性金属(如铜,黄铜和铝)吸收。它们提供小的斑点尺寸和切缝宽度。

但是它们不是万能药。与任何激光器一样,实际的切割性能取决于光纤激光器切割的材料。还有其他因素,例如光束准直器,喷嘴设计,辅助气体输送,电源和切割头之间的光纤传输,这些变量很多。光纤激光器显示出巨大的潜力,但是如果不权衡所有选项并确切知道光纤激光器在车间可以完成的工作,就无法实现这种潜力。

光纤激光器的可扩展性是独一无二的。添加更多的二极管模块,您将获得更多的功率。例如,制造操作将如何利用6至10 kW之间的超高功率光纤激光器?我们在谈论极限厚度和切削速度吗?

实际上有点复杂。对于约20规格的薄软钢,您可以得到非常高的速度。并且由于它使用短波长,因此它可以穿透反射材料。光纤激光器的光斑尺寸非常小,功率密度很高,这就是为什么您可以用更少的功率更快地切割薄纸的原因。2 kW光纤激光器可以完成薄金属软钢的4 kW CO 2激光器的工作,并且切割速度通常快两倍。

但这不是线性关系。一定数量的切割能力不能为每种材料提供一定数量的附加速度或厚度功能。切入1英寸 例如,如果您需要获得高质量的切割刃,则不锈钢将需要6 kW的CO 2和纤维。另一方面,减少0.375英寸。铝,因为它是反射性的,您将需要5 kW的CO 2激光器,而2 kW的光纤激光器可以很好地切割此类铝。因此,从一种材料到另一种材料的切削参数存在一些极端差异。

考虑CO 2和光纤激光器时,这不是一个苹果对苹果的比较,因为它们具有不同的波长。对于低碳钢,光纤激光器可以比CO 2更快地以更少的功率进行切割。光纤激光器可以切割黄铜,铜和CO 2激光器无法切割的其他材料。尝试在CO 2激光切割台上切割任何厚度的黄铜,这可能会使机器的保修失效。但是,对于不锈钢,您在光纤上的切割性能与在CO 2激光器上的切割性能大致相同。

当前,至少在大多数生产环境中,您通常可以使用任何切割激光切割1 in。和更少的金属。与激光不同,等离子和富氧炬会引起化学反应,从而使金属过热,并且热量持续传播到几英寸厚的金属。您会得到一个较宽的切口,但是您会得到一个平滑的切割边缘。使用激光,您可以利用圆锥形光束的热量进行切割,切割质量取决于该焦点的光束形状和位置。

考虑一下光束边缘以沙漏形下降,会聚到中心的焦点,然后再次发散。X形(光束长度)只能在切割质量下降之前那么长。这是一个原因,当您用激光切割1英寸或更大的厚度时,在切口的顶部和底部会遇到较差的切缝和较大范围的缺失材料。它遵循光束的实际轮廓。

在激光切割中,较厚的切口需要较宽的光束。当您用光纤激光器切割超过0.75英寸的较厚材料时,我们需要散焦或在系统上使用不同的光学器件来进行切割。如果要用窄光束切割较厚的金属,则熔化的材料将无法在重新凝固之前排空。使用激光,一切都与热量和光束聚焦有关。金属吸收光束的能量越好,反射的能量越少,通常材料切割的越好。在进行等离子和氧燃料切割时,这是一种化学反应,该化学反应始于羽流,并贯穿金属厚度。

因此,实际上,任何激光束都不能以良好的边缘质量切入2英寸,因为无论您拥有多少功率,光束发散都会在如此厚的材料上造成缺陷。是的,您可以将辅助气体提高到100 PSI,并仅用氧气切割即可处理非常厚的板,但是到那时,您实际上已将机器变成了氧气燃料系统。您正在通过化学反应进行切割,并且在激光上通常不是生产准备就绪的过程-至少现在还没有。

就是说,什么是6到10 kW光纤激光切割系统的应用?

康奈尔:首先是速度。您可能需要10 kW的高速切割材料,以满足客户需求并获得可接受的投资回报。这甚至可以应用于不锈钢等具有挑战性的材料。在极端情况下,一台7 kW的光纤激光器可以在大约半秒的时间内切割出0.5英寸厚的不锈钢,从而获得良好的切割质量。为了提高速度,您可以将光纤激光器的功率升级到8甚至10 kW。

或者,您可能是光束切换,您可以在其中转移功率以同时运行多个切割系统,熔覆系统或焊接系统。例如,一个10 kW光纤激光电源实际上可以变成两个单独的5 kW激光电源。对于7 kW的系统,4 kW的功率可用于一个切割系统,而3 kW的功率可用于另一个切割系统。或者一个激光源可以同时供给切割和焊接系统。

光束切换不适用于制造业中的每个人。它非常先进,并且需要一些经过微调的过程。机器同步必须正确。但这是光纤激光器可以提供的,而CO 2激光器则无法做到。

制作者:在金属制造领域,您认为在接下来的几年中谁将成为该技术的早期采用者?

康奈尔:同样,除非您要使用高速冲压机进行落料,否则光纤激光器可以非常快地,比任何替代品更快地切割薄软钢。另外,如果一家商店想要制造一种利基切割专用反射材料,那么光纤激光器将很有吸引力。

也就是说,大型制造业务可能会获得最大的收益。光纤激光器具有更高的能源效率和更少的维护。现代激光二极管可以持续20万小时。要维护一台CO 2激光器,重新填充或翻新气体谐振器可能要花费20,000至40,000美元,而购买新的镜子可能要花费10,000至12,000美元。而且这还不包括进行维修时的相关停机时间。这些成本加起来,特别是对于大型制造操作。

一家小型车间每天使用六个小时的现代CO 2激光器运行,可能不会节省大量的运营成本。但是那些在地板上有许多平板金属切割系统的人正在认真研究纤维技术。这些公司的制造成本最高。当您查看在两个或三个班次中运行多个系统的工厂时,您会开始发现维护和相关停机时间的巨额成本。至少在最初,这些组织可能是光纤激光技术的最大用户。

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