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    可變模激光器能解決鈑金切割的哪些難題?

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    可變模激光器能解決鈑金切割的哪些難題?

    發布日期:2020-07-17 作者: 點擊:

    對鈑金切割而言,激光技術早已成為成熟高效的生產方法,在世界各地有成千上萬的切割系統。過去的10年里,以光纖和碟片系統為代表的固態光纖耦合激光器已經成為首選,在金屬加工市場基本取代了CO2激光器。這兩種方案的工作方式類似,都是使用一個切割頭,通過同軸高壓輔助氣體的錐形噴嘴將激光束聚焦到待加工金屬上。

    到目前為止,常用的激光器都使用固定的光束質量,以輸出功率范圍廣來體現切割性能,并通過確定合適的焦斑尺寸范圍來產生良好的切割效果。以“一個尺寸適用所有范圍”為標準為給定的激光切割系統選擇特定的聚焦光斑尺寸,用一個透鏡組合來處理所有金屬類型和厚度。對于一個成本低、要求簡單的設備來說,這種方案可以達到很好的效果,并且針對各類金屬板材都能在給定的功率下定義切割效果。

    但這種方法在面對不同金屬材料的不同特性時,總需要進行不同程度的讓步。在使用氮氣切割不銹鋼時(熔化切割)需要較小發散角和聚焦光斑,而使用氧氣切割低碳鋼時(氧化反應切割)則需要較大的發散角和聚焦光斑。如果使用上述這種“一刀切”的方法,則很難同時兼顧熔化切割和氧化反應切割的效果。

    對激光切割設備制造商而言,選用一個配有電動變焦準直系統和可變擴束系統的切割頭是一個不錯的選擇,這能在一定程度上改變焦斑大小。但如圖1所示,只要光束質量恒定,并不能提供最佳的焦斑大小和發散角組合,因為與大焦斑相比,小焦斑總有著更大的發散角度。為提高熔化切割和氧化反應切割的質量,業內需要可變光束質量的激光器。

    圖1:光束質量為4.5 mm.mrad的激光通過芯徑為100μm的光纖時焦斑大小與發散角的關系

    基于這樣的背景,SPI開發了一種新的激光器——可變模(variMODE)激光器,可通過控制輸出光束發散角來控制光束質量。而這一切都是在激光器內部完成的,沒有任何外部光學系統。SPI在激光器內安裝了一個?100μm的傳輸光纖,使得光束質量可在3.2 mm.mrad(M2為9.5)至5.8 mm.mrad (M2為17)內進行選擇。較差的光束質量5.8 mm.mrad也可與標準商用切割頭的NA相匹配,確保所有的激光功率都能傳輸到鈑金上,而不會在切割頭內產生切光。從差的光束質量到好的光束質量的切換時間一般為30ms,足以實現在穿孔和切割之間進行快速切換。

    圖2:可變模激光器的可變光斑特征

    不銹鋼切割

    在3kW切割測試中,SPI將variMODE激光器設置為高光束質量(3.2 mm.mrad)和小發散角,與標準產品的光束質量(4.5 mm.mrad)進行了比較。測試使用相同的切割頭以兩種情況下的焦斑大小相同。

    測試結果如圖3所示,使用高光束質量的切割速度明顯快于標準光束質量。在2mm不銹鋼切割中,高光束質量切割速度快45%,在4mm不銹鋼切割中,高光束質量切割速度快25%。

    圖3:不銹鋼切割效果

    測試過程中,二者激光輸出功率恒定保持在3kW,采用的速度都是實際可以進行生產的速度,對焦點位置和噴嘴分離高度變化具有較高容忍度。

    厚碳鋼切割

    用氧氣切割低碳鋼時,在有效的光束質量范圍內,切割速度沒有太大的差別,但在質量上有很大改變。當使用較低的光束質量(5.8 mm.mrad)時,切邊質量和加工窗口顯著提高。特別是厚碳鋼而言(20 mm),低光束質量切面的平均粗糙度(Rz)< 30μm。光束質量越高,切割邊緣越粗糙、越不穩定。

    此外,實驗表明,采用低光束質量的切削比采用較高光束質量的切削溫度要低得多。例如,當用3kW激光切割20mm低碳鋼時,在其他參數不變的前提下,高光束質量(3.2 mm.mrad)的試樣達到190°C,對于相同的切割端面,低光束質量(5.8 mm.mrad)的試樣只有110°C。更低的加工溫度也能產生更低的端面粗糙度。

    而在提高邊緣質量的同時,低碳鋼還可以切割出更細、更高的縱橫比。如圖4所示,3kW variMODE激光器在20mm的低碳鋼上切割2.5mm寬的連桿形狀,光束質量為5.8 mm.mrad,切割速度為0.7m/min。

    圖4:20mm碳鋼窄切功能

    使用可變模激光器的另一個好處是:不同的光束質量可分別用于穿孔和切割。要保證切割端面的光滑,在切割開始之前,需要在金屬板上進行穿孔,對氧氣切割而言這點尤為重要。脈沖激光可以提高穿孔質量,但對厚碳鋼而言則需要花費很長的穿孔時間。如果采用更高的光束質量,穿孔時間則可以明顯的降低。

    圖5、6為厚碳鋼穿孔測試。從結果可見,使用variMODE激光器,可以用高光束質量穿孔,獲得更快、更高質量的孔,然后切換到光束質量較低的孔進行切割。這一過程也得益于variMODE激光器的快速光束質量切換開關,同時還能避免切割過程中出現停頓,保證加工的流暢性。

    圖5:高光束質量穿孔

    圖6:低光束質量穿孔

    總結

    與光束質量固定的激光器相比,可變光束質量的激光器用于鈑金加工具有明顯的優勢。在相同的激光功率下,光束質量可變的激光系統性能優于固定光束質量的系統。當設置為高光束質量時,不銹鋼熔化切割速度顯著提高;而當設置為較低光束質量時,厚碳鋼的切削速度相同,但由于工件溫度較低,端面質量得到了改善,還可以進行窄輪廓的切割。

    配電柜體加工

    本文網址:http://www.dongbulightec.com/news/550.html

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