最初的實(shí)驗(yàn)測試表明,這種新的加工方式有潛力超越先進(jìn)的光纖激光切割和CO2激光切割,比后兩種激光切割技術(shù)的加工速度更快、效果更好,而且更便宜。預(yù)計(jì),兩個(gè)項(xiàng)目完成之后,這種切割技術(shù)將日益成熟并達(dá)到一定水平,可依照通常的商業(yè)條件用于制造出產(chǎn)品并銷售。
定制光束形狀
這些項(xiàng)目基于一個(gè)原則,即:與使用單束圓形激光束的傳統(tǒng)激光切割相比,新的切割工藝采用了復(fù)雜的激光光束形狀。利用大功率單模光纖激光器獨(dú)特的聚焦特性,產(chǎn)生復(fù)雜的光束形狀,并使之有可能從整體激光能量中分出一部分,以便創(chuàng)建一個(gè)“匙孔”,用于激光焊接或激光切割應(yīng)用中。其余的能量將分配到熔體;在此之前,主光束用來創(chuàng)建一個(gè)適當(dāng)?shù)母哒羝麎毫Ψ植荚谌廴诓牧媳砻?。這使得它可以將局部壓力施加在切口流出的熔體上,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在激光切割中常用的同軸氣體噴射的壓力。結(jié)果是,切口非常狹窄。新工藝極具潛力,在較大的切割速度范圍內(nèi)不會產(chǎn)生毛邊,而且在狹窄的輪廓切割中也能進(jìn)行高速切削,產(chǎn)生高質(zhì)量的切口。
幾種切割方式
而且,通過正確地定制激光光束形狀(添加“蓋”形的光束形狀),即使沒有使用切割輔助氣體,熔融流體也會沿著入射激光束相反的方向流出切口。因此一個(gè)單通道遠(yuǎn)程切割技術(shù)被開發(fā)出來,這種技術(shù)具有明確的應(yīng)用前景,比先進(jìn)的遠(yuǎn)程激光切割能更有效地從切口處去除熔融物。
光束整形
這種激光切割技術(shù)的核心是光束整形,可以通過不同方式實(shí)現(xiàn),例如:設(shè)計(jì)一個(gè)配有單模光纖激光器的系統(tǒng)。通過光束組合結(jié)構(gòu)——而不是把所有的單模傳輸光束匯入一條大的傳輸光纖中,就能將這些光束傳輸?shù)角懈铑^,正如用于大功率多模光纖激光器配置。
應(yīng)用一個(gè)單模光纖激光源。采用一種先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)與一個(gè)特別設(shè)計(jì)的人工全息圖(也稱為衍射光學(xué)器件),將輸入激光束轉(zhuǎn)換為輻射模式,以便優(yōu)化給定的激光切割工藝。由于光束模式是非對稱的,衍射光學(xué)器件必須根據(jù)實(shí)際切割方向轉(zhuǎn)動。
采用定制激光束模式的遠(yuǎn)程激光切割系統(tǒng)
關(guān)于強(qiáng)激光產(chǎn)生蒸汽壓力的機(jī)制,早在幾十年前激光鉆孔和匙孔穿透型激光深熔焊接時(shí)就為人所知,局部的蒸汽壓力是穿透性鉆孔的驅(qū)動機(jī)理,并且用于產(chǎn)生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的歷史,當(dāng)年一群科學(xué)家在弗勞恩霍夫激光技術(shù)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(jìn)行匙孔激光切割僅限于非常薄的板材,這是由于匙孔中形成強(qiáng)大的等離子體,這也在高功率CO2激光焊接中出現(xiàn)。
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(jìn)行匙孔切割,因?yàn)楣饫w激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因?yàn)榭梢愿行实貙⑷刍飶那懈钋把氐闹行木€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,因而確保從熔融表面能夠有效地傳導(dǎo)熱量,表面的熔體前沿吸收了激光,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會引發(fā)質(zhì)量問題。熔化物從切割側(cè)邊流走,這將使切割質(zhì)量惡化,因?yàn)楣饫w激光器切割速度很快,但當(dāng)切厚度增加時(shí),切割質(zhì)量并不高。
在典型的激光切割和先進(jìn)的匙孔切割中,同軸氣體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。這里,激光輻照所得到的壓強(qiáng)更大,并且在整個(gè)切口處都經(jīng)受著巨大的壓力。因此,能夠完全根據(jù)光路限制來設(shè)計(jì)定制激光束的新方法,它能切割出比采用先進(jìn)激光切割方式下更狹窄的切口。
迄今為止開展的實(shí)驗(yàn)
迄今為止,采用這種新方法開展的實(shí)驗(yàn)顯示出在大范圍變化的切割速率下有明確的質(zhì)量改進(jìn),并已證明,幾乎可以得到無毛刺切割的效果。這兩個(gè)項(xiàng)目的前景顯而易見。此外,單次遠(yuǎn)程激光熔化切割的結(jié)果(來自通快公司)已經(jīng)證明,熔化物的去除只能通過激光輻照。
然而通快公司的解決方案是基于一個(gè)圓形的激光束,這要求通過散焦來實(shí)現(xiàn)上述工作機(jī)理。它不是理想的解決方案,因?yàn)檫@種條件下要求熔融物從激光束前方的切口排出去——已經(jīng)公開的結(jié)果清晰地顯示了這點(diǎn)。另一個(gè)遠(yuǎn)程切割技術(shù)經(jīng)由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer IWS)證明,即一個(gè)高度聚焦的圓形單模激光束在材料表面上掃描多次,進(jìn)行深度雕刻。這種技術(shù)只適用于薄板切割;由于需要多重掃描,掃描的優(yōu)勢或多或少喪失。
此項(xiàng)目的關(guān)鍵工作目前集中在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的計(jì)算和制造,為測試階段做準(zhǔn)備,并且在丹麥奧爾堡大學(xué)建立實(shí)驗(yàn)設(shè)施,其中包括了一臺3千瓦單模光纖激光器。
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