通過光束傳輸保證激光切割的連續性、穩定性和過程可靠性

新聞動態 | 2019-01-04 01:04

? ? ?光束傳輸的任務就是保持激光束高品質由諧振腔傳輸到切割頭,從而保證了切割過程的連續性,確保了切割穩定性和過程可靠性。光束傳輸根據機床的尺寸可以有幾米長,它必須根據具體的要求加以構造,只有這樣才能有效抵消或者補償影響降低光束質量的各種因素。

該技術采用激光束照射到鋼板表面時釋放的能量來使不銹鋼熔化并蒸發。激光源一般用二氧化碳激光束,工作功率為500~2500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低,但是,通過透鏡和反射鏡,激光束聚集在很小的區域。能量的高度集中能夠進行迅速局部加熱,使不銹鋼蒸發。此外,由于能量非常集中,所以,僅有少量熱傳到鋼材的其它部分,所造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準確地切割復雜形狀的坯料,所切割的坯料不必再作進一步的處理。

利用激光切割設備可切割4mm以下的不銹鋼,在激光束中加氧氣可切割8~10mm厚的不銹鋼,但加氧切割后會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm,但切割部件的尺寸誤差較大。激光切割設備的價格相當貴,約150美元以上。但是,由于降低了后續工藝處理的成本,所以,在大生產中采用這種設備還是可行的。由于沒有刀具加工成本,所以激光切割設備也適用生產小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。目前,激光切割設備通常采用計算機化數字控制技術(CNC)裝置,采用該裝置后,就可以利用電話線從計算機輔助設計(CAD)工作站來接受切割數據。

對于光束傳輸從其定義來看都包含什么,各種理解不一而終。從最廣泛的意義上來講,光束傳輸包括從諧振腔到切割頭的完整光束通道。從更加嚴格的意義上講,光束性能與傳輸部門激光物理學者Andreas Lüdi稱:"另一方面,完整的光束傳輸概念并不存在??梢哉f,光束傳輸質量是百超區別于其他競爭對手的一項要素。有了基于大量技術訣竅和能力的光束傳輸技術,百超有實力獨樹一幟。"

光束傳輸的任務就是保持激光束高品質由諧振腔傳輸到切割頭,從而保證了切割過程的連續性,確保了切割穩定性和過程可靠性。光束傳輸根據機床的尺寸可以有幾米長,它必須根據具體的要求加以構造,只有這樣才能有效抵消或者補償影響降低光束質量的各種因素。

諧振腔和光束的形成

光束的形成主要是靠諧振腔中的透鏡以及擴束系統中的兩個遠視鏡。

圖1 光束從諧振腔輸出端到包括切割頭之間傳輸

激光源是固定的,緊貼機器,切割頭所在的切割橋既輕便又靈活(圖1)。正是由于移動架的重量較輕,可實現高的加速度和高速移動。這確保了快速高效率切割,但對光束傳輸也提出了額外的要求。與激光束的自然屬性相稱,由諧振腔發出的光束呈腰形(圖2)。

由于透鏡在移動,產生的光束長度也隨之發生變化,到達工件的光束在沒有抵消措施的情況下將呈現不同的特征(焦距長度和橫截面)。這確保了光束橫截面保持基本的連續性,即在事實上保持其不因長度改變而有所變化。使到達切割臺任意點的光束始終保持一致。

圖2 激光束覆蓋整個切割范圍

與其重要性相符,光束在光束傳輸的起點正確成形。下一個決定性的階段是使高品質光束傳輸到達切割頭。這個過程可在防護罩中完成。

防護罩和光束傳輸通道

擴束和偏振作用之后,光束必須得到充分保護,以便在到達切割臺時保持其特征。激光傳輸是在帶防護罩的光束通道中完成的。這個裝置非常復雜,它必須滿足質量方面的許多需求:

首先它不能是易燃的,必須是完全密封的,須有一定的使用壽命,不能透氣。由于在技術上這樣做是行不通的,所以百超利用純凈空氣(即幾乎沒有濕度的空氣)保護光束通道,濕氣和塵垢一樣具有類似的負面作用,可改變光束的橫截面和光束特征,另外一個關鍵參數是CO2含量。為了防止上面所提及的類似雜質進入周圍的空氣,防護罩要保持一定的壓力。

BySpeed激光切割機,切割頭以169m/min的速度移動,在空氣動力學中會出現巨大的差異。這時候會出現一定的風險,光束通道中的某些點上會有負壓力而不是所希望的正壓力。所面臨的挑戰是通過利用精確測量的動態光束傳輸、防護罩交換器和靈活的通道避免出現類似的情況。所有這些措施都確保了聚焦及精確的光束到達切割臺,而不是分散的光束。

切割頭和光束聚焦

光束傳輸的終點是切割頭。切割頭的聚焦光學元件可以確保切割工件的激光具有高強度和高度集中。由于適應性光學元件和可調整透鏡的存在,焦點的位置也可以改變,由于材料的密度、特征以及所使用的切割氣不同,需要有不同的焦點位置。切割頭構造的最主要挑戰是開發出耐用度最強重量最輕的切割頭,要能夠經受住切割過程中產生的重壓以及張力。另一方面,切割頭應該便于使用,容易更換,有盡可能多的功能。

"只有所有的部件都完美地配合時,才有可能實現進一步優化,光束傳輸環節越來越被重視。"Roland St?ckli贊同地表示。只考慮光束傳輸中的某一點而忽略其他部件是遠遠不夠的。任何想把系統推至完美使速度達到極限的人都必須確保所有的核心部件(諸如光束傳輸等)都要略高于標準要求。