垂直z-DBS的初始結(jié)果令人鼓舞，本文將討論所有三個空間維度中快速振蕩的可能性。對于快速波束振蕩的替代概念也將考慮到它們對制造的適應(yīng)能力。
激光切割作為一種成熟和廣泛應(yīng)用的材料加工技術(shù)，被認(rèn)為是切割厚度達(dá)15毫米的金屬最具效益的技術(shù)。高亮度固態(tài)激光器對市場的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。據(jù)報道，自從引進(jìn)光纖和disc激光技術(shù)以來，商用切割機(jī)系統(tǒng)的數(shù)量增加了一倍多。不銹鋼和有色合金的厚截面融合切割在工藝性能和前沿質(zhì)量方面仍存在挑戰(zhàn)，以滿足用戶的期望。
使用靜態(tài)激光束的傳統(tǒng)解決方案只有有限數(shù)量的易于控制的影響參數(shù)。對于給定的光束焦散、激光功率和氣流配置設(shè)置，聚焦平面相對于材料表面的位置通常被認(rèn)為是性能和質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。顯然，只有一個關(guān)鍵參數(shù)在手，多準(zhǔn)則優(yōu)化問題的求解變得很困難。一種很有希望的補(bǔ)救方法是應(yīng)用振蕩光束，通常稱為動態(tài)光束整形（DBS）方法，盡管光束輪廓本身保持不變。DBS方法已經(jīng)在電子和激光束焊接中得到了很好的應(yīng)用，由于它具有許多額外的自由度，可以用來改變切割過程的特性，因此在厚截面激光束切割中似乎也很有前途。
早期研究表明，通過光束的縱向1D振蕩（x-DBS）可以控制切割前沿的傾角，從而實現(xiàn)1μm激光波長的高耦合效率。后來，2D振蕩模式（xy DBS）被用于改善整體工藝性能。目前的工作主要集中在沿z方向光束傳播軸（z-DBS）的振蕩策略的開發(fā)上。結(jié)合x-y方向的2D振蕩，最有可能開發(fā)具有額外功率調(diào)制的復(fù)雜3D振蕩策略，以實現(xiàn)波束控制的最高靈活性。
實驗裝置
激光束在x和y方向振蕩的傳統(tǒng)技術(shù)解決方案使用帶有兩個集成振鏡驅(qū)動的掃描鏡的獨立掃描單元。該裝置位于激光束準(zhǔn)直部分的光路中，可與大多數(shù)商用切割頭組合。這種解決方案的典型設(shè)置如圖1所示，掃描鏡裝置位于標(biāo)準(zhǔn)切割頭的頂部。
圖1使用兩臺gaXY DBS設(shè)備，通過XY DBS進(jìn)行激光熔合切割，綠色高亮顯示。
核心元件是控制器，它能夠定義兩個軸之間的頻率、振幅和相移。因此，可以在圓形、八形、馬蹄形、矩形等幾何形狀中獲得各種能量密度分布模式。指定的模式可以與沿所需切割輪廓的運動矢量對齊，并且可以根據(jù)不斷變化的工藝條件調(diào)整振蕩參數(shù)，例如方向、切割速度或激光功率的變化。圖2示意性地顯示了2D激光熔合切割控制單元在切割輪廓不同位置生成可自由選擇圖案的能力，以確保一致的切割質(zhì)量。
圖2 DBS控制系統(tǒng)允許振蕩模式與路徑向量對齊。這里顯示了實現(xiàn)不同工藝目標(biāo)的合適模式，如圓形、八形或馬蹄形。
還開發(fā)了一種新的快速自適應(yīng)反射鏡解決方案，允許焦平面沿光束傳播方向在數(shù)毫米范圍內(nèi)、頻率高達(dá)4 kHz的振蕩，即所謂的z-DBS。該反射鏡預(yù)聚焦準(zhǔn)直光束的焦距為2米，與這種切割頭結(jié)構(gòu)相結(jié)合時，最大振蕩幅度可達(dá)20毫米?？焖僮赃m應(yīng)鏡也可以代替平面彎曲鏡，為整個光機(jī)械裝置節(jié)省了空間和質(zhì)量(見圖3)。
圖3快速z-DBS自適應(yīng)鏡，示意圖(左)和實驗室(右)。
在本文介紹的厚截面不銹鋼的所有切割實驗中，在不同的光學(xué)配置中使用了最大功率為4kW的最先進(jìn)光纖激光器。
結(jié)果
本文給出了在盡可能小的切口寬度的附加約束下獲得的結(jié)果。這些結(jié)果與靜態(tài)激光束的常規(guī)激光切割性能進(jìn)行了比較。通常，傳統(tǒng)激光切割追求兩個相反的目標(biāo)：以最大切割速度切割或以最佳邊緣質(zhì)量切割。圖4顯示了包括切削刃微觀視圖在內(nèi)的結(jié)果匯編。
圖4先進(jìn)的最高切割速度和最高質(zhì)量切割工藝與DBS切割的比較。
用于激光熔切的z-DBS
為了研究焦平面振蕩對加工結(jié)果的影響，用z-DBS在10 mm厚的板材上進(jìn)行了切割實驗，作為恒定激光功率為4 kW的線性切割。振幅在1至6 mm的范圍內(nèi)變化，在100 Hz至1 kHz的頻率下，材料厚度上半部分的零焦點位置。切割速度保持在1.3 m/min的恒定值，以達(dá)到每個測試參數(shù)星座的直通切割。不同振幅值下所選切口幾何形狀的高分辨率顯微圖顯示了該因素對切口形狀和尺寸的強(qiáng)烈影響，見圖5右側(cè)。特別是，發(fā)現(xiàn)上表面的切口寬度與施加的振幅密切相關(guān)。
圖5使用z-DBS時切口和切邊的外觀。
討論
光束振蕩法在激光束切割中的應(yīng)用為改變工藝性能、切割邊緣特性和切口幾何形狀提供了許多機(jī)會。導(dǎo)致這些效應(yīng)的物理機(jī)制被認(rèn)為是相當(dāng)復(fù)雜的，因此需要更好地理解，以找到最佳的參數(shù)設(shè)置。振幅對板材上側(cè)切縫寬度和切縫形狀的強(qiáng)烈影響是明顯且高度可重復(fù)的選擇。這也證實了常規(guī)切割中的常識，即切口寬度始終與該特定位置的光束尺寸相關(guān)。
高加工速度下的高質(zhì)量切割要求這兩個子過程之間保持平衡。在常規(guī)切割中，焦層位置可以有效地用于切口寬度控制。在使用高亮度固態(tài)激光源的厚截面激光束切割中，通常建議將聚焦層定位在板材厚度的下半部分甚至下三分之一。相比之下，使用DBS方法的靈活性，切口形狀可以通過指定的振蕩振幅從特定的焦點位置獨立控制。因此，可以選擇高焦層位置，以確保切口上部的高光束強(qiáng)度達(dá)到更高的切割速度。
目前的經(jīng)驗知識和DBS的好處已經(jīng)證明了對系統(tǒng)技術(shù)和工藝設(shè)計的需求的增加，并激勵了進(jìn)一步研究DBS技術(shù)及其在激光切割中的應(yīng)用。
總結(jié)與展望
激光焦點在xy平面上以及沿z方向的光束傳播軸的動態(tài)光束整形（DBS）在減少浮渣、更平滑的切削刃表面、更高的進(jìn)給速度、可調(diào)節(jié)的切口寬度和擴(kuò)大的加工窗口方面具有改進(jìn)激光熔合切割的巨大潛力。未來的研究將針對在xz和yz平面上使用DBS進(jìn)行切割試驗，以及在所有空間方向上進(jìn)行3D快速波束振蕩，見圖6（正在申請專利）。此外，DBS對氧氣切割的影響將得到澄清。
圖6x、y和z方向快速3D光束振蕩實驗裝置示意圖。
對于激光束的物理偏轉(zhuǎn)，采用單鏡、雙軸系統(tǒng)比采用電流鏡驅(qū)動的系統(tǒng)更好，從而達(dá)到高體積、低成本的目的。目前，壓電和伺服驅(qū)動的反射鏡正在開發(fā)中。前者已經(jīng)按照描述進(jìn)行了測試，后者將很快用于這個特定的應(yīng)用程序。另一種方法是使用相干光束組合(CBC)技術(shù)，使激光聚焦在MHz范圍內(nèi)的功率分布快速變化。配備這種CBC技術(shù)的高功率光纖激光器正在開發(fā)中，并將進(jìn)入材料加工市場。首批輸出功率超過12千瓦的激光器之一將很快用于實驗室條件下的切割實驗。
來源：Photonics Views - 2020 – Wetzig - Fast Beam Oscillations Improve Laser Cutting of Thick Materials，DOI: 10.1002/phvs.202000025
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