激光束模式的遠程激光切割係統

關於強激光產生蒸汽壓力的機製,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,並且用於產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限於非常薄的板材,這是由於匙孔中形成強大的等離子體,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,因為光纖激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因為可以更有效率地將熔化物從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,因而確保從熔融表麵能夠有效地傳導熱量,表麵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質量問題。熔化物從切割側邊流走,這將使切割質量惡化,因為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。

  迄今為止開展的實驗

  迄今為止,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。這兩個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,激光幹涉儀是用來做什麽的?熔化物的去除隻能通過激光輻照。

  然而通快公司的解決方案是基於一個圓形的激光束,這要求通過散焦來實現上述工作機理。它不是理想的解決方案,因為這種條件下要求熔融物從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。另一個遠程切割技術經由弗勞恩霍夫激光技術研究所(FraunhoferIWS)證明,即一個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。這種技術隻適用於薄板切割;由於需要多重掃描,掃描的優勢或多或少喪失。

  此項目的關鍵工作目前集中在實驗設計中的計算和製造,為測試階段做準備,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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