最初的實驗測試表明,這種新的加工方式有潛力超越先進的光纖激光切割和CO2激光切割,比後兩(liang) 種激光切割技術的加工速度更快、效果更好,而且更便宜。預計,兩(liang) 個(ge) 項目完成之後,這種切割技術將日益成熟並達到一定水平,可依照通常的商業(ye) 條件用於(yu) 製造出產(chan) 品並銷售。
定製光束形狀
這些項目基於(yu) 一個(ge) 原則,即:與(yu) 使用單束圓形激光束的傳(chuan) 統激光切割相比,新的切割工藝采用了複雜的激光光束形狀。利用大功率單模光纖激光器獨特的聚焦特性,產(chan) 生複雜的光束形狀,並使之有可能從(cong) 整體(ti) 激光能量中分出一部分,以便創建一個(ge) “匙孔”,用於(yu) 激光焊接或激光切割應用中。其餘(yu) 的能量將分配到熔體(ti) ;在此之前,主光束用來創建一個(ge) 適當的高蒸汽壓力分布在熔融材料表麵。這使得它可以將局部壓力施加在切口流出的熔體(ti) 上,這遠遠超過了在激光切割中常用的同軸氣體(ti) 噴射的壓力。結果是,切口非常狹窄。新工藝極具潛力,在較大的切割速度範圍內(nei) 不會(hui) 產(chan) 生毛邊,而且在狹窄的輪廓切割中也能進行高速切削,產(chan) 生高質量的切口。
幾種切割方式
而且,通過正確地定製激光光束形狀(添加“蓋”形的光束形狀),即使沒有使用切割輔助氣體(ti) ,熔融流體(ti) 也會(hui) 沿著入射激光束相反的方向流出切口。因此一個(ge) 單通道遠程切割技術被開發出來,這種技術具有明確的應用前景,比先進的遠程激光切割能更有效地從(cong) 切口處去除熔融物。
光束整形
這種激光切割技術的核心是光束整形,可以通過不同方式實現,例如:設計一個(ge) 配有單模光纖激光器的係統。通過光束組合結構——而不是把所有的單模傳(chuan) 輸光束匯入一條大的傳(chuan) 輸光纖中,就能將這些光束傳(chuan) 輸到切割頭,正如用於(yu) 大功率多模光纖激光器配置。
應用一個(ge) 單模光纖激光源。采用一種先進的光學係統與(yu) 一個(ge) 特別設計的人工全息圖(也稱為(wei) 衍射光學器件),將輸入激光束轉換為(wei) 輻射模式,以便優(you) 化給定的激光切割工藝。由於(yu) 光束模式是非對稱的,衍射光學器件必須根據實際切割方向轉動。
采用定製激光束模式的遠程激光切割係統
關(guan) 於(yu) 強激光產(chan) 生蒸汽壓力的機製,早在幾十年前激光鑽孔和匙孔穿透型激光深熔焊接時就為(wei) 人所知,局部的蒸汽壓力是穿透性鑽孔的驅動機理,並且用於(yu) 產(chan) 生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的曆史,當年一群科學家在弗勞恩霍夫激光技術研究所研究采用CO2激光器對鈑金做高速切割。然而,用CO2激光器進行匙孔激光切割僅(jin) 限於(yu) 非常薄的板材,這是由於(yu) 匙孔中形成強大的等離子體(ti) ,這也在高功率CO2激光焊接中出現。
高亮度光纖激光器的聚焦性能及其波長,使得這類激光器能夠在厚板上進行匙孔切割,因為(wei) 光纖激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因為(wei) 可以更有效率地將熔化物從(cong) 切割前沿的中心線除去,匙孔切割比通常的激光切割更高效;在前者的加工過程中,被熔化的材料會(hui) 在激光束的前方流下去。這使得熔融層厚度更薄,因而確保從(cong) 熔融表麵能夠有效地傳(chuan) 導熱量,表麵的熔體(ti) 前沿吸收了激光,而且需要能量以熔化更多的材料。然而,在匙孔切割中,激光束周邊的熔融流體(ti) 會(hui) 引發質量問題。熔化物從(cong) 切割側(ce) 邊流走,這將使切割質量惡化,因為(wei) 光纖激光器切割速度很快,但當切厚度增加時,切割質量並不高。
在典型的激光切割和先進的匙孔切割中,同軸氣體(ti) 輔助方式是清除熔融物的唯一動力;切口必須放大,以便減少通過切口處的壓力。這裏,激光輻照所得到的壓強更大,並且在整個(ge) 切口處都經受著巨大的壓力。因此,能夠完全根據光路限製來設計定製激光束的新方法,它能切割出比采用先進激光切割方式下更狹窄的切口。
迄今為(wei) 止開展的實驗
迄今為(wei) 止,采用這種新方法開展的實驗顯示出在大範圍變化的切割速率下有明確的質量改進,並已證明,幾乎可以得到無毛刺切割的效果。這兩(liang) 個(ge) 項目的前景顯而易見。此外,單次遠程激光熔化切割的結果(來自通快公司)已經證明,熔化物的去除隻能通過激光輻照。
然而通快公司的解決(jue) 方案是基於(yu) 一個(ge) 圓形的激光束,這要求通過散焦來實現上述工作機理。它不是理想的解決(jue) 方案,因為(wei) 這種條件下要求熔融物從(cong) 激光束前方的切口排出去——已經公開的結果清晰地顯示了這點。另一個(ge) 遠程切割技術經由弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer IWS)證明,即一個(ge) 高度聚焦的圓形單模激光束在材料表麵上掃描多次,進行深度雕刻。這種技術隻適用於(yu) 薄板切割;由於(yu) 需要多重掃描,掃描的優(you) 勢或多或少喪(sang) 失。
此項目的關(guan) 鍵工作目前集中在實驗設計中的計算和製造,為(wei) 測試階段做準備,並且在丹麥奧爾堡大學建立實驗設施,其中包括了一台3千瓦單模光纖激光器。
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