光纤激光器在激光加工中的新方法

　　光纤激光器在激光加工中的新方法

 

　　光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。

 

　　最初的实验测试表明，这种新的加工方式有潜力超越先进的光纤激光切割和CO2激光切割，比后两种激光切割技术的加工速度更快、效果更好，而且更便宜。预计，两个项目完成之后，这种切割技术将日益成熟并达到一定水平，可依照通常的商业条件用于制造出产品并销售。

 

　　定制光束形状

 

　　这些项目基于一个原则，即：与使用单束圆形激光束的传统激光切割相比，新的切割工艺采用了复杂的激光光束形状。利用大功率单模光纤激光器独特的聚焦特性，产生复杂的光束形状，并使之有可能从整体激光能量中分出一部分，以便创建一个“匙孔”，用于激光焊接或激光切割应用中。其余的能量将分配到熔体；在此之前，主光束用来创建一个适当的高蒸汽压力分布在熔融材料表面。这使得它可以将局部压力施加在切口流出的熔体上，这远远超过了在激光切割中常用的同轴气体喷射的压力。结果是，切口非常狭窄。新工艺极具潜力，在较大的切割速度范围内不会产生毛边，而且在狭窄的轮廓切割中也能进行高速切削，产生高质量的切口。

 

　　而且，通过正确地定制激光光束形状（添加“盖”形的光束形状），即使没有使用切割辅助气体，熔融流体也会沿着入射激光束相反的方向流出切口。因此一个单通道远程切割技术被开发出来，这种技术具有明确的应用前景，比先进的远程激光切割能更有效地从切口处去除熔融物。

 

　　光束整形

 

　　这种激光切割技术的核心是光束整形,可以通过不同方式实现，例如：设计一个配有单模光纤激光器的系统。通过光束组合结构——而不是把所有的单模传输光束汇入一条大的传输光纤中，就能将这些光束传输到切割头，正如用于大功率多模光纤激光器配置。

 

　　应用一个单模光纤激光源。采用一种先进的光学系统与一个特别设计的人工全息图（也称为衍射光学元器件），将输入激光束转换为辐射模式，以便优化给定的激光切割工艺。由于光束模式是非对称的，衍射光元学器件必须根据实际切割方向转动。

 

　　关于强激光产生蒸汽压力的机制，早在几十年前激光钻孔和匙孔穿透型激光深熔焊接时就为人所知，局部的蒸汽压力是穿透性钻孔的驱动机理，并且用于产生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的历史，当年一群科学家在弗劳恩霍夫激光技术研究所研究采用CO2激光器对钣金做高速切割。然而，用CO2激光器进行匙孔激光切割仅限于非常薄的板材，这是由于匙孔中形成强大的等离子体，这也在高功率CO2激光焊接中出现。

 

　　高亮度光纤激光器的聚焦性能及其波长，使得这类激光器能够在厚板上进行匙孔切割，因为光纤激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因为可以更有效率地将熔化物从切割前沿的中心线除去，匙孔切割比通常的激光切割更高效；在前者的加工过程中，被熔化的材料会在激光束的前方流下去。这使得熔融层厚度更薄，因而确保从熔融表面能够有效地传导热量，表面的熔体前沿吸收了激光，而且需要能量以熔化更多的材料。然而，在匙孔切割中，激光束周边的熔融流体会引发质量问题。熔化物从切割侧边流走，这将使切割质量恶化，因为光纤激光器切割速度很快，但当切厚度增加时，切割质量并不高。

 

　　在典型的激光切割和先进的匙孔切割中，同轴气体辅助方式是清除熔融物的唯一动力；切口必须放大，以便减少通过切口处的压力。这里，激光辐照所得到的压强更大，并且在整个切口处都经受着巨大的压力。因此，能够完全根据光路限制来设计定制激光束的新方法，它能切割出比采用先进激光切割方式下更狭窄的切口。