圖1 光束從諧振腔輸出端到包括切割頭之間傳輸
光束傳輸?shù)娜蝿?wù)就是保持激光束高品質(zhì)由諧振腔傳輸?shù)角懈铑^,從而保證了切割過程的連續(xù)性,確保了切割穩(wěn)定性和過程可靠性。
光束傳輸對于激光切割過程的可靠性具有重大意義,瑞士百超專注研發(fā)光束傳輸質(zhì)量。“光束性能與傳輸是百超激光切割系統(tǒng)的核心要素,”瑞士百超激光研發(fā)部負(fù)責(zé)人Roland St?ckli如是說,“從技術(shù)角度來看,它是我們必須掌握的技術(shù)含量最高、最耗費(fèi)時(shí)間的工作之一,它就是決定機(jī)床切割是否穩(wěn)定的重要因素。”
對于光束傳輸從其定義來看都包含什么,各種理解不一而終。從最廣泛的意義上來講,光束傳輸包括從諧振腔到切割頭的完整光束通道。從更加嚴(yán)格的意義上講,例如在技術(shù)術(shù)語中,它一般只是指諧振腔的光束輸出和切割頭的光束輸入。很多激光切割系統(tǒng)中使用的元件都可以在市面上買到。光束性能與傳輸部門激光物理學(xué)者Andreas Lüdi稱:“另一方面,完整的光束傳輸概念并不存在??梢哉f,光束傳輸質(zhì)量是百超區(qū)別于其他競爭對手的一項(xiàng)要素。有了基于大量技術(shù)訣竅和能力的光束傳輸技術(shù),百超有實(shí)力獨(dú)樹一幟。”
光束傳輸?shù)娜蝿?wù)就是保持激光束高品質(zhì)由諧振腔傳輸?shù)角懈铑^,從而保證了切割過程的連續(xù)性,確保了切割穩(wěn)定性和過程可靠性。光束傳輸根據(jù)機(jī)床的尺寸可以有幾米長,它必須根據(jù)具體的要求加以構(gòu)造,只有這樣才能有效抵消或者補(bǔ)償影響降低光束質(zhì)量的各種因素。
諧振腔和光束的形成
光束的形成主要是靠諧振腔中的透鏡以及擴(kuò)束系統(tǒng)中的兩個(gè)遠(yuǎn)視鏡。
百超應(yīng)用飛行光路技術(shù)(圖1),激光源是固定的,緊貼機(jī)器,切割頭所在的切割橋既輕便又靈活。正是由于移動(dòng)架的重量較輕,可實(shí)現(xiàn)高的加速度和高速移動(dòng)。這確保了快速高效率切割,但對光束傳輸也提出了額外的要求。與激光束的自然屬性相稱,由諧振腔發(fā)出的光束呈腰形#p#分頁標(biāo)題#e#(圖2)。由于透鏡在移動(dòng),產(chǎn)生的光束長度也隨之發(fā)生變化,到達(dá)工件的光束在沒有抵消措施的情況下將呈現(xiàn)不同的特征(焦距長度和橫截面)。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足,利用遠(yuǎn)視鏡將光束放大。這確保了光束橫截面保持基本的連續(xù)性,即在事實(shí)上保持其不因長度改變而有所變化。使到達(dá)切割臺任意點(diǎn)的光束始終保持一致。
圖2 激光束覆蓋整個(gè)切割范圍
與其重要性相符,光束在光束傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)正確成形。下一個(gè)決定性的階段是使高品質(zhì)光束傳輸?shù)竭_(dá)切割頭。這個(gè)過程可在防護(hù)罩中完成。
防護(hù)罩和光束傳輸通道
擴(kuò)束和偏振作用之后,光束必須得到充分保護(hù),以便在到達(dá)切割臺時(shí)保持其特征。百超的激光傳輸是在帶防護(hù)罩的光束通道中完成的。這個(gè)裝置非常復(fù)雜,它必須滿足質(zhì)量方面的許多需求:首先它不能是易燃的,必須是完全密封的,須有一定的使用壽命,不能透氣。密封,這就意味著它必須不透塵、不透水、不透氣。開發(fā)團(tuán)隊(duì)更傾向于防護(hù)罩是真空的,因?yàn)檫@樣的話,光束就可以以最小的干擾傳輸。由于在技術(shù)上這樣做是行不通的,所以百超利用純凈空氣(即幾乎沒有濕度的空氣)保護(hù)光束通道,濕氣和塵垢一樣具有類似的負(fù)面作用,可改變光束的橫截面和光束特征,另外一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是CO2含量。為了防止上面所提及的類似雜質(zhì)進(jìn)入周圍的空氣,防護(hù)罩要保持一定的壓力。
BySpeed激光切割機(jī)(laser cutting),切割頭以169m/min的速度移動(dòng),在空氣動(dòng)力學(xué)中會(huì)出現(xiàn)巨大的差異。這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一定的風(fēng)險(xiǎn),光束通道中的某些點(diǎn)上會(huì)有負(fù)壓力而不是所希望的正壓力。在這些點(diǎn)上潛在地存在著污染的危險(xiǎn)。所面臨的挑戰(zhàn)是通過利用精確測量的動(dòng)態(tài)光束傳輸、防護(hù)罩交換器和靈活的通道避免出現(xiàn)類似的情況。所有這些措施都確保了聚焦及精確的光束到達(dá)切割臺,而不是分散的光束。#p#分頁標(biāo)題#e#
切割頭和光束聚焦
光束傳輸?shù)慕K點(diǎn)是切割頭。切割頭的聚焦光學(xué)元件可以確保切割工件的激光具有高強(qiáng)度和高度集中。由于適應(yīng)性光學(xué)元件和可調(diào)整透鏡的存在,焦點(diǎn)的位置也可以改變,由于材料的密度、特征以及所使用的切割氣不同,需要有不同的焦點(diǎn)位置。切割頭構(gòu)造的最主要挑戰(zhàn)是開發(fā)出耐用度最強(qiáng)重量最輕的切割頭,要能夠經(jīng)受住切割過程中產(chǎn)生的重壓以及張力。另一方面,切割頭應(yīng)該便于使用,容易更換,有盡可能多的功能。
“只有所有的部件都完美地配合時(shí),才有可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化,光束傳輸環(huán)節(jié)越來越被重視。”Roland St?ckli贊同地表示。只考慮光束傳輸中的某一點(diǎn)而忽略其他部件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,百超在整個(gè)鏈條上仍然繼續(xù)做著深入開發(fā)的工作,目標(biāo)就是為客戶進(jìn)一步提高過程的可靠性以及進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。任何想把系統(tǒng)推至完美使速度達(dá)到極限的人都必須確保所有的核心部件(諸如光束傳輸?shù)龋┒家愿哂跇?biāo)準(zhǔn)要求。
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