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它来了,它来了,他带着千万利润走来了!厚材料切割有奇效-快速光束振荡激光切割

来源:www.laser08.com 时间:2022-05-09 点击:805
作为一种成熟且应用广泛的材料处理技术,激光切割被认为是切割厚度达 15mm 金属的最具成本效益的切割技术。高亮度半导体激光器在市场发展中起着至关重要的作用。据报道,自从引入光纤和平板激光技术以来,商用切割机的数量增加了一倍以上。正如用户所期望的那样,从不锈钢和有色合金切割厚型材在工艺生产率和最高质量方面仍然是一个挑战。
使用静态激光束的传统解决方案只有有限数量的易于调整的曝光参数。对于给定的碱性光束、激光功率和气流模式,燃烧平面相对于表面材料的位置通常被认为是最重要的质量和性能因素。当然,当只有一个基本参数时,求解多目标优化问题就变得困难了。一种很有前途的工具是使用振动光束,通常称为动态波束成形 (DBS),尽管光束本身的轮廓保持不变。 DBS 工艺已被证明在电子束焊接和激光焊接中有效,并且在激光切割厚型材方面也很有前景,因为它提供了许多可用于修改切割工艺特性的附加版本。
早期研究表明,可以使用光束的一维纵向振荡 (x-DBS) 来控制边缘倾斜,从而在 1 µm 的激光波长下实现高耦合效率。接下来,使用二维振动模式 (xy DBS) 来提高过程的整体性能。这项工作的重点是开发沿 z 方向的光束传播轴 (z-DBS) 的振荡策略。通过结合 xy 方向的 2D 振荡,您更有可能开发复杂的 3D 振荡策略和额外的功率调制,以实现径向方向的最大灵活性。
面包板
用于在 x 和 y 方向振动激光束的传统解决方案使用带有两个集成镀锌扫描镜的单独扫描单元。该设备位于激光束准直部分的光束路径中,可连接到大多数市售切割头。 在标准切割头中带有扫描镜。
主要元件是能够确定两个轴之间的频率、幅度和相移的控制器。因此,可以在不同的工艺条件下获得几何形状的能量密度分布的不同模式,例如圆形、八角形、马蹄形、矩形等。
此外,还开发了一种新的高速自适应反射镜,它允许燃烧平面在频率高达 4 kHz 的传播方向上发生几毫米的振荡,即所谓的 z-DBS。预对准的准直玻璃光束焦距为2米,采用这种切割头设计,最大振动幅度可达20mm。
在本文介绍的所有不锈钢厚度切割实验中,都使用了具有各种光学配置的高达 4 kW 的先进光纤激光器。
本文介绍了对最小可能切割宽度的附加限制所获得的结果。这些结果与静态激光束的传统激光切割性能进行了比较。传统的激光切割通常有两个相反的方向:以最大切割速度切割或以最佳边缘质量切割。
为了确定滚刀振动对处理结果的影响,通过使用 z-DBS 以 4 kW 的均匀激光功率以线性切割的形式切割 10mm 厚的板来进行测试。幅度范围从 1 到 6 mm,频率从 100 Hz 到 1 kHz,在材料厚度的顶部为零焦点。切削速度保持恒定在 1.3 m/min,以获得每组测试参数的相同平均值。不同宽度下所选槽口几何形状的高分辨率显微照片显示该因素对槽口的形状和尺寸有很强的影响,特别是,发现顶部槽口表面的宽度与使用的宽度密切相关。
在激光切割中使用光束振动技术为修改工艺性能、切削刃特性和切削几何形状提供了许多机会。导致这些影响的物理机制被认为相对复杂,因此需要更好地理解以找到最佳参数。宽度对横向狭缝宽度和片材中狭缝形状的强烈影响是显而易见且非常频繁的选择。这也印证了传统切割的常识,即切割的宽度始终与此时的棒材尺寸成正比。
高加工速度下的高质量切削需要在这两个子过程之间取得平衡。在传统的切片中,可以有效地利用焦平面的位置来控制切片的宽度。使用高亮度半导体激光源切割较厚的激光束时,通常建议将聚焦层放置在板材厚度的下半部分甚至下三分之一处。另一方面,由于 DBS 方法的灵活性,可以通过调整振荡幅度来独立控制不同焦点处的凹口形状。因此,可以选择高烧切的位置,使光束在切口顶部的强度高,从而加快切割速度。
DBS 目前的经验证据和好处证明了对系统技术和工艺设计的需求不断增长,并推动了对 DBS 技术及其在激光手术中的应用的进一步研究。
总结和可视化
动态波束成形 (DBS) 在 xy 平面和 z 方向沿光束轴聚焦的动态波束成形 (DBS) 可提供更少的熔渣、更光滑的边缘表面、更高的进给率、可调节的切割宽度和更大的加工窗口。它在改进激光手术方面具有巨大潜力。未来的研究将集中于在 xz 和 yz 平面上试验 DBS 交叉点以及 3D 光束在所有空间方向上的快速振荡。还解释了 DBS 对灭火的影响。
在激光束的物理偏转中,单轴和双轴系统比电流镜系统更有效地实现大批量和低成本。压电镜和伺服镜正在开发中。前者已经按照描述进行了测试,后者将很快可用于此应用程序。另一种方法是使用相干光束组合 (CBC) 技术,该技术专注于在 MHz 范围内快速变化的激光器功率分布。已经开发出采用这种 CBC 技术的高功率光纤激光器,现在正在进入材料处理市场。功率超过 12 千瓦的首批激光器之一将很快引入实验室测试。
新的先进增材制造 (AM) 技术能够制造用于航空航天和生物医学应用的 3D 金属部件。人们越来越关注在相对较短的时间内以比传统技术更低的成本制造复杂的、几乎像格子一样的组件。对于粉尘扩散过程 (PBF),已经提出了几种 AM 方法。根据使用的热源(电子束或激光束),主要方法是电子束熔化(EBM)和选择性激光熔化(SLM)或金属直接激光烧结(DMLS)。在 SLM 工艺中,粉末溶解,而在 DMLS 中,粉末被烧结。热源用于烧结或熔化金属粉末层。 AM工艺的限制因素之一是工件表面质量,其粗糙度主要由热源决定。表面质量与粉末在熔化、凝固或烧结过程中发生的结构参数和复杂现象密切相关。
这些波浪是由热梯度激活的马兰戈尼现象的结果。当聚焦光束撞击金属粉末并以极快的速度行进时,光束与凝固区之间存在温差。热梯度在射流下方的熔融粉末和距它的距离之间产生表面张力差异。反过来,表面张力梯度在液体表面产生剪切力,导致熔融部分移动到远离射流中心的区域。通常,在静止状态下,熔化的部分在重力的影响下流回喷淋区,这为这种转变付出了代价。使用添加剂技术的快速冷却在这种静态下冻结并形成波浪形表面。楼梯的效果是由于多层制造工艺。施工中使用的层厚度和倾斜角度会影响表面光洁度。因此,台阶的效果在倾斜或弯曲的零件上尤为明显。
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