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據(jù)悉，新開(kāi)發(fā)的高亮度4千瓦振蕩器結(jié)合LBC技術(shù)，這是一種動(dòng)態(tài)光束形狀控制，帶來(lái)了切割性能顯著的改進(jìn)。

光纖激光器具有比CO2激光器更高的能量轉(zhuǎn)換效率，從而實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和節(jié)能設(shè)計(jì)。因此，在金屬板材的激光切割工藝中，由于其維護(hù)量減少、波長(zhǎng)和其他優(yōu)點(diǎn)提高了金屬吸收率，操作員已加快了從CO2激光器到光纖激光器的使用。在實(shí)際應(yīng)用中，光纖激光器在薄金屬板材的高速切割過(guò)程中優(yōu)于CO2激光器。然而，隨著金屬板厚度的增加，在浮渣粘附、切割表面質(zhì)量和其他因素方面，光纖激光器的性能不如CO2激光器時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

圖1 CO2激光器和光纖激光器典型切割性能的比較。

根據(jù)我們?cè)贏mada公司在光纖激光器方面的廣泛研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們決定通過(guò)分析和比較CO2激光器和光纖激光器的切割性能，重點(diǎn)研究光對(duì)金屬材料的影響。我們利用Amada自己的光纖激光器產(chǎn)品線(xiàn)，對(duì)光纖激光器發(fā)出的光進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)。圖1顯示了CO2激光器和光纖激光器之間切割性能的比較。可以看出，當(dāng)使用CO2激光器時(shí)，熔融金屬流動(dòng)平穩(wěn)，但在使用光纖激光器時(shí)，流動(dòng)不平穩(wěn)。對(duì)熔融金屬的流動(dòng)狀態(tài)和熔融溫度進(jìn)行了反復(fù)的物理性能對(duì)比分析。該分析使Amada開(kāi)發(fā)了兩種光束輪廓控制技術(shù)。

為了提高光纖激光器的金屬切削性能，多家公司開(kāi)發(fā)了多種光束輪廓控制技術(shù)，但這些都是靜態(tài)控制方法（圖2）。

Amada還使用ENSIS技術(shù)，這是一種靜態(tài)控制光束輪廓的方法。使用該技術(shù)改進(jìn)的切割性能甚至在6千瓦及以上的高功率光纖激光器中提供了有效的性能。然而，通常隨著振蕩器輸出的增加，功耗也會(huì)增加，激光機(jī)也會(huì)變得更昂貴。

圖2典型光束輪廓控制方法。

圖3 Amada的兩種光束輪廓控制方法。

因此，從可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）的角度來(lái)看，Amada致力于在低功耗的中等輸出范圍內(nèi)改善光纖振蕩器的切割性能。在Amada，我們利用激光束高速振蕩的動(dòng)態(tài)光束輪廓控制技術(shù)，對(duì)切割性能改善的效果和最佳振蕩方法進(jìn)行了研發(fā)。我們可以通過(guò)高速振蕩光纖激光器的低階焦點(diǎn)到任何選定形狀，同時(shí)保持高亮度，從而顯著提高激光束與金屬之間的相互作用效率。

圖4軌跡束控制（LBC）技術(shù)與傳統(tǒng)切割方法的比較。

圖4顯示了無(wú)光束控制的傳統(tǒng)激光切割方法和使用軌跡光束控制（LBC）技術(shù)的激光束圖像。對(duì)于無(wú)光束控制的傳統(tǒng)激光切割方法，如圖所示，當(dāng)切割薄片時(shí)，光纖激光器的光束非常銳利，聚焦在金屬材料表面的一個(gè)小區(qū)域，并以高能量密度迅速熔化材料，以進(jìn)行高速切割。對(duì)于中厚板切割，通過(guò)改變透鏡和金屬材料之間的距離來(lái)改變焦點(diǎn)位置，以獲得合適的切割寬度，并增加金屬材料表面上的聚焦直徑進(jìn)行切割。在相同的激光功率下，激光的能量密度隨著聚焦直徑的增加而降低。能量密度越低，金屬材料熔化所需的時(shí)間越長(zhǎng)，因此切割速度越慢。補(bǔ)償能量密度降低的一種方法是增加照射金屬材料的激光的功率輸出。這也是近年來(lái)提高光纖激光器振蕩器輸出功率的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的原因之一。另一方面，LBC技術(shù)是一種切割方法，它通過(guò)高速振蕩光來(lái)控制光束路徑，以匹配材料和厚度，同時(shí)保持高能量密度的銳利光。因此，通過(guò)控制高能量密度的強(qiáng)光，激光能量可以比以前更有效地作用于金屬材料。

激光束對(duì)金屬材料的吸收率隨光束入射角的變化而變化。如圖5所示，吸收率增加時(shí)的入射角。

圖5激光在鐵中的吸收與入射角的關(guān)系。

如果光纖激光器以與CO2激光器相同的入射角發(fā)射，光纖激光器的吸收率將低于CO2激光器。為了有效利用光纖激光器的能量，必須減小入射角。與傳統(tǒng)的激光切割方法相比，LBC技術(shù)可以顯著提高切割速度，減少材料背面的浮渣粘附。

圖6新型高亮度4kw振蕩器。

這種LBC技術(shù)的效果也被發(fā)現(xiàn)適用于具有高能量密度的強(qiáng)光。因此，Amada開(kāi)發(fā)了一種單模塊4kW振蕩器，具有高能量密度的強(qiáng)光。傳統(tǒng)的多模組合并輸出由多個(gè)激光模塊產(chǎn)生的光束，使其難以獲得清晰、高亮度的光。新開(kāi)發(fā)的高亮度4千瓦振蕩器與LBC技術(shù)結(jié)合使用，與傳統(tǒng)方法相比，能夠顯著改善切割性能。

此外，由于其動(dòng)態(tài)波束形狀，LBC技術(shù)具有定向波束輪廓，這取決于波束的振蕩模式。這意味著需要旋轉(zhuǎn)光束的振蕩模式，以匹配切削前進(jìn)方向。如果圖案沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，我們得到圖7a所示的結(jié)果，如果旋轉(zhuǎn)的時(shí)間與激光頭的時(shí)間不同，我們得到圖7b所示的結(jié)果。即使旋轉(zhuǎn)是適時(shí)的，光束振蕩模式也可能在拐角處產(chǎn)生咬合，如圖7c所示。在這些情況下，切割不會(huì)產(chǎn)生所需的形狀，因此Amada還開(kāi)發(fā)了控制技術(shù)來(lái)防止這些問(wèn)題。我們稱(chēng)之為矢量控制技術(shù)。矢量控制允許用戶(hù)從任何切割方向獲得合適的切割形狀（圖7d）。

圖7 LBC技術(shù)具有定向波束輪廓，在拐角處（a–c）產(chǎn)生問(wèn)題。矢量控制可以克服這些（d）。

圖8不銹鋼浮渣高度的比較。

實(shí)施LBC技術(shù)的一個(gè)結(jié)果是提高了鋁的切割速度。當(dāng)傳統(tǒng)切割方法的切割速度為100%時(shí)，LBC技術(shù)將切割速度提高約兩倍。該切割速度相當(dāng)于1.5到2倍激光功率的振蕩器的性能。對(duì)切割不銹鋼成本的比較表明，與傳統(tǒng)方法相比，成本顯著降低約50%。通過(guò)使用LBC技術(shù)的不同振蕩模式，浮渣也顯著減少（圖8）。LBC的高強(qiáng)度強(qiáng)光和適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)也可以使低碳鋼具有良好的切割表面，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氧氣切割，而使用傳統(tǒng)方法很難切割低碳鋼（圖9）。

圖9 22 mm厚軟鋼的比較。

來(lái)源：Photonics Views - 2022 - Yamanashi - Enhancing cutting performance with an oscillating laser beam, DOI: 10.1002/phvs.202200011