光纤激光技术改善金属切削

来源:荣格

发布时间:2018年11月6日下午 03:11:34

可调光束质量实现厚、薄金属的优化切割

光纤激光器具有无与伦比的生产率、是精度和成本效益的组合,因此主导了钣金切割市场。2-6kW范围的光纤激光器已成为许多制造车间的主力,与传统切割技术如二氧化碳(CO2)激光器和等离子体焰炬相比,它能提供更快、更精确的薄金属切割。然而,许多光纤激光器系统被设计成仅适用于有限厚度范围内的金属切割,特别是在此情况下,小而紧密聚焦的激光束能为薄规格的材料提供最快的切割速度,但对于较厚的板材,这种小光束在处理边缘质量和最大厚度方面存在较大的局限。或者,由于切口较宽、较大光束可以提高厚板的边缘质量,但对于切割薄板则会发生很大的速度损失。

大型制造车间可以购买多个光纤激光工具,其中每种工具专用于切割特定的厚度范围:用于轻型规格的小光束系统和用于较厚板材的大光束系统。对于只倚靠一种工具来切割所有金属的较小制造车间来说,如果被限于某个固定尺寸,那么降低生产率将会被降低,特别是在面对不同的作业组合时。这些车间通常会改变切割头中的聚焦透镜,以更好地优化给定作业的激光光斑尺寸。当激光器不能进行切割时,每次改变透镜都会造成生产效率的损失,并且存在污染透镜和切割头的风险,这可能导致灾难性的故障以及较高的维修和停机成本。

自动调整激光光斑尺寸的能力将大大扩展光纤激光器的适用性、生产效率和工艺窗口。大多数现行方法需要自由空间光学的机动。例如,变焦切割头、改变光纤发射条件的光纤-光纤或自由空间-光纤耦合器、或耦合到独立加工光纤的2-4输出光纤-光纤切换。这样的自由空间光学方法会显著增加成本和复杂性,并且会降低工具的性能和可靠性。它们对失调、污染和环境条件(温度、振动)敏感,造成功率依赖性(热透镜)、光损耗并(或)降低切换速度。变焦切割头在头部内装有电动镜片,比标准切割头更大、更重,从而降低了加速性能,并对龙门和电机提出了额外的设计要求。使用这些方法的工具设计者需要将成本、性能和可靠性方面的负担传递给客户(最终用户)。

由于现有激光源的光斑尺寸缺乏可调性,因此会迫使工具集成商和制造商在作业组合的灵活性和工具性能及可靠性之间进行选择。这种妥协提高了成本,并降低了生产率。

光纤激光器的突破

nLIGHT开发出一种新颖的全光纤技术(Corona),它能直接从馈送光纤快速调整光纤激光光斑尺寸超过3倍,而不会带来比自由空间方法更大的任何缺点。此外,Corona光纤激光器能提供可改善不同金属切割质量的光束形状,包括平顶光束和环形(甜甜圈)光束。与传统光纤激光器相比,4kW功率级别的Corona光纤激光器可将低碳钢、不锈钢、铝和铜板材的切割厚度明显提高到1英寸,从而能够开发出适用于切割较大厚度范围金属的通用工具。

图1:带六个指标设置的4kW Corona 光纤激光器的光束直径。底部图像显示用CMOS 相机记录的相应近场空间轮廓(即切割头下方焦点附近的光束形状)。光束图像下给出了BPP 值。

Corona光纤激光器输出光束可在~100µm与~300µm之间连续调谐。为便于工艺优化,提供了固定数字设置(指标值)。图1显示了带六个指标设置的Corona光纤激光器的输出光束直径、光束参数结果(BPP)值和光束形状。

如图1所示,光束图像中清楚显示出馈送光纤被划分为引导激光束的区域。多种不同的Corona纤维设计有可能适应范围广泛的应用。在图1所示的设计中,馈送光纤包括一个100µm的中心芯,由两个直径分别为200µm和300µm的环形导引区域包围,通过改变这三个导引区域之间的激光功率分配,可调整光束直径和光束形状。Corona关键且前所未有的特点是,这种光束形状的调整全部都在光纤内完成,不涉及自由空间光学,从而保持了光纤激光器的所有性能、稳定性、效率和可靠性优势。在每个参数设置都可以获得完整的激光功率。

Corona的另一个优点是光束调谐非常迅速,从最小直径到最大直径的过渡时间不足30ms。光纤激光器在参数变化期间持续以全功率工作,在改变光束形状时无需关断激光器或使之空白。Corona的快速调谐使切割过程的每个步骤都能够利用最佳的光束特性,而不仅仅是在切割不同材料或不同厚度。例如,在熔穿 - 切割或在直切 - 转弯期间,可以使用不同的参数设置。

金属切削性能

一般金属切削市场,包括激光切割,主要为厚低碳钢板(MS)。与其它激光系统相比,Corona光纤激光器在边缘质量和厚MS切削的最大厚度方面具备独特的优势。图2显示了分别采用带100µm馈送光纤的标准4kW光纤激光器、以及4kW Corona光纤激光器切割MS的照片。所有测试均采用1.5倍放大的固定光学切割头,辅助气体为氧气。对每种情况给出了最佳的Corona光束形状,并在图中给出了切削速度和测得的表面粗糙度。

主要观察结果:

◆对于最薄的样品(0.25英寸),最佳Corona光束直径为100µm。正如预期的那样,在这种Corona设置下激光器的光斑尺寸和BPP相似,因此两种光纤激光器的切割速度和边缘质量接近。

◆对于较厚的样品,Corona光纤激光器可提供明显更好的边缘质量,粗糙度降低高达3倍。这些样品的最佳Corona光束直径大于100µm。

◆对于标准光纤激光器,可提供一致跌落性能的最大厚度为0.75英寸。Corona光纤激光器可充分扩展到1英寸厚度,具备出色的边缘质量。

◆采用Corona光纤激光器切割的工件粗糙度对厚度的依赖性,比采用标准光纤激光器切割的工件低得多。采用Corona切割1英寸MS(低碳钢)所测得的粗糙度,甚至低于采用标准光纤激光器切割的0.5英寸的MS(低碳钢)。高边缘质量降低或消除了对昂贵而耗时的后续处理步骤的需要。

◆与标准光纤激光器相比,Corona光纤激光器的切割速度相同或稍快(~5%)。

图2:采用带100μm 馈送光纤的标准4kW 光纤激光器与4 kW Corona 光纤激光器(a)进行氧气辅助低碳钢切割的对比,其中上图显示了切割速度,下图显示了测得的边缘粗糙度值;照片显示边缘质量,光束图像包含于每张照片的上方或下方(b)。

图3显示了分别采用标准光纤激光器和Corona光纤激光器切割的1英寸MS(低碳钢)的特写。采用标准光纤激光器切割时,金属上的熔渣阻碍了工件从骨架上均匀始终一致地跌落;而使用Corona光纤激光器切割的样品则表现出一致的跌落性能。这种引人瞩目的改进对于实现工厂自动化和远端控制操作是必不可少的,这是降低制造成本驱动力中的新涌现出的关键趋势。除了降低粗糙度外,图3中所显示的更佳的边缘平直度和垂直度对于诸如焊接之类的应用也至关重要。

图3:1 英寸低碳钢氧气辅助切割对比,分别采用标准4kW 光纤激光器(a)和4kW Corona 光纤激光器(b) 对进行激光加工,采用Corona光纤激光器的粗糙度降低3倍,边缘明显变直,垂直度大大提高。Corona 光纤激光器可提供一致的跌落性能;而传统的光纤激光器则不能,其原因是在工件底部边缘的熔渣和凹陷的边缘形状。

值得注意的是,Corona光纤激光器能提供边缘质量和厚度范围方面的益处,并不以速度损失为代价(图2),且切削刀具采用标准的固定光学切削头。这种不会牺牲性能的效果任何其它技术都无法达到,并且源自独特的、全光纤Corona设计。

为了证明使用Corona光纤激光器时切割过程的稳定性,我们制作了具有精细特征的挑战性形状。图4显示了一个具有极窄腹板(0.110英寸宽)的1英寸MS(低碳钢)试样。即使在如此窄的特征上,边缘的粗糙度和垂直度也是非常好的,未出现相对侧烧穿的迹象。Corona光纤激光器的可调光束大小和形状,可在厚MS(低碳钢)板上一致地产生这种窄高比特征,以及小孔和精确的角。

图4:采用4kW Corona 光纤激光器在代表性低碳钢工件上切割出的窄高比特征;窄腹板部分为0.110 英寸宽、1 英寸厚。

我们还研究了采用4kW Corona光纤激光器以氮气辅助对低碳钢、不锈钢、铝和铜进行的切割。在大多数情况下,最小的参数设置可提供最好的性能,切割速度和边缘质量类似于标准4kW光纤激光器。这一结果是预料之中的,因为参数0可在工件上提供最高功率密度。然而,对于一些较厚材料的氮气切割,较高的指标设置则为某些应用提供了更高的边缘质量,由于功率密度较低,速度会受到损失。在这些情况下,最佳参数设置是根据应用而定的,并且,Corona使工具集成商或最终用户可根据应用定制边缘特性。

可靠性

所有nLIGHT光纤激光器都包括可靠的、从硬件角度提供的针对来自工件的背向反射保护,从而能不间断地处理高反射材料。Corona保持了这种高背向反射容限,并且Corona光纤激光器已被用于切割和焊接铜和其它反射材料。

在加速寿命测试中,我们对Corona的寿命进行了表征。一台Corona光纤激光器通过其参数设置不断循环,在每个设置上有100毫秒停歇,并且周期性地测量光束直径以寻找性能的漂移或退化。超过1340万次指标变化,对应所有指标设置的光束直径保持在4%之内,没有系统性的变化或漂移。因此,Corona光纤激光器提供了高性能光纤激光器的长寿命和免维护工作特性。

Corona光纤激光器代表着超越标准光纤激光器及现有可调谐光束质量技术的一项重大进展。其优点包括:

◆创新的全光纤设计,消除了与自由空间光学器件相关的所有性能及可靠性方面的缺点;

◆Corona光纤激光器不再需要外部光纤-光纤耦合器和开关、机动光学器件或变焦加工头;

◆切换非常快(<30毫秒),且激光器可以在改变光束形状的同时保持全功率工作;

◆无需维护或校准,即使在经过数百万指数变化之后,仍能保持光纤激光器的长寿命;

◆添加Corona不会增加光纤激光器的功耗、降低效率,或增加尺寸、重量及安装要求;

◆Corona光纤激光平台具有广泛的通用性,适用于许多其它光束尺寸、形状、发散及其它激光功率水平。

凭借Corona的可调光束质量,现在可实现通用工具的开发,以优化范围各种金属和厚度的切割。生产车间或工厂不再需要被迫承受性能损失、购买多种工具,和(或)使用复杂、昂贵且脆弱的自由空间光学器件。

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