二極管激光直接切割鋼板可行性展望

楊衛(wèi)紅

摘要：本文介紹了LIMOS DIOCUT系統(tǒng)和激光二極管陣列激光器系統(tǒng)用作不同材料的激光熔覆、有氧切割的效果。介紹了1.3KW和2KW的二極管激光器系統(tǒng)的切割試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果表明：使用22mm*mrad光束質(zhì)量在適當(dāng)?shù)乃俣认驴梢缘玫胶芎玫那懈钸吘?。根?jù)應(yīng)用結(jié)果得出結(jié)論：幾千瓦二極管激光器直接切割成為可能。

引言：

近年激光處理材料市場(chǎng)總體是不斷增長(zhǎng)的。激光系統(tǒng)市場(chǎng)的龐大的加工市場(chǎng)中，激光切割是下游市場(chǎng)中的一項(xiàng)主要應(yīng)用。激光切割仍然主要由二氧化碳激光器占有，同時(shí)光纖激光器也開始分占市場(chǎng)。光纖激光器開始發(fā)展時(shí)，一些專家預(yù)言光纖激光器很快會(huì)會(huì)取代二氧化碳激光器占有幾乎所有市場(chǎng)。這主要基于短波長(zhǎng)能使光束質(zhì)量提高一個(gè)量級(jí)?，F(xiàn)在，完全取代已經(jīng)消失，這是因?yàn)楣饫w激光器對(duì)于厚板的切割質(zhì)量太差。對(duì)于超過4mm的厚板二氧化碳激光器能在與光纖激光器相同的速度下完成切割且邊緣平整。對(duì)于4mm以下的薄板，光纖激光器由于其低光束參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，在保證切割質(zhì)量和二氧化碳激光器相同的條件下，過去幾年中切割速度也在穩(wěn)定的提高?，F(xiàn)在千瓦級(jí)的激光二極管陣列激光器系統(tǒng)可以應(yīng)用到需要小光斑領(lǐng)域。這開辟了激光二極管陣列激光器進(jìn)入激光切割市場(chǎng)的道路。本文介紹了LIMOS DIOCUT系統(tǒng)用作不同材料的激光熔覆、有氧切割的效果。例如，4mm厚的鋁板和鋼板熔覆切割時(shí)平整度在10um以下。

1.二極管激光器切割市場(chǎng)分析

切割粗糙度低于10微米；帶冷卻的電光轉(zhuǎn)換效率為30%。這是提到直接用二極管激光器切割金屬就可以說到的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在這里強(qiáng)調(diào)“直接二極管激光器”意在用二極管激光器切割金屬并不是常見的過程。然而，二極管技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展可以設(shè)計(jì)一個(gè)高亮度二極管激光器系統(tǒng)，該激光器系統(tǒng)的輸出功率是2千瓦，一個(gè)光束參數(shù)結(jié)果是22mm*mrad?，F(xiàn)在商業(yè)可行的“DIOCUT”系統(tǒng)準(zhǔn)備可以應(yīng)于大量激光切割市場(chǎng)。該系統(tǒng)已經(jīng)證明可以用于切割鋁，不銹鋼，銅和低碳鋼。其切割邊緣質(zhì)量可以與CO2激光器相比。我們的發(fā)展方向是在不遠(yuǎn)的將來在每光束質(zhì)量上有更高的輸出功率。

近年激光處理材料市場(chǎng)總體是不斷增長(zhǎng)的，激光切割是下游市場(chǎng)中的一項(xiàng)主要應(yīng)用。激光切割仍然主要由二氧化碳激光器占有，同時(shí)由光纖激光器分占市場(chǎng)。光纖激光器開始發(fā)展時(shí)，一些專家預(yù)言光纖激光器很快會(huì)會(huì)取代二氧化碳激光器占有幾乎所有市場(chǎng)。這主要基于短波長(zhǎng)能使光束質(zhì)量提高一個(gè)量級(jí)。現(xiàn)在，完全取代已經(jīng)消失，這是因?yàn)楣饫w激光器對(duì)于厚板的切割質(zhì)量太差。對(duì)于超過4mm的厚板二氧化碳激光器能在與光纖激光器相同的速度下完成切割且邊緣平整。對(duì)于4mm以下的薄板，光纖激光器由于其低光束參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，在保證切割質(zhì)量和二氧化碳激光器相同的條件下，過去幾年中切割速度也在穩(wěn)定的提高?，F(xiàn)在千瓦級(jí)的激光二極管陣列激光器系統(tǒng)可以應(yīng)用到需要小光斑的領(lǐng)域。這開辟了激光二極管陣列激光器進(jìn)入激光切割市場(chǎng)的道路。

2. DIOCUT二極管激光器系統(tǒng)

2KW二極管激光器系統(tǒng)構(gòu)建于一個(gè)工業(yè)貨架并形成一個(gè)二極管模塊，水-水冷卻，二極管驅(qū)動(dòng)和功率分布單元。系統(tǒng)的主要模塊，二極管模塊，分為4個(gè)小模塊和一個(gè)波長(zhǎng)耦合單元。每個(gè)小模塊在不同的波長(zhǎng)交付600W。波長(zhǎng)808nm，940nm，980nm通過雙色鏡在波長(zhǎng)耦合單元耦合，隨后耦合到工業(yè)光纖。該系統(tǒng)配備有一個(gè)LLK-B工業(yè)高功率光纖連接器。存在的組合有NA為0.20的200微米光纖或者NA為0.12的400微米光纖[1-3]。包含冷卻的系統(tǒng)的整體電光轉(zhuǎn)換效率是30%。

對(duì)于光束傳送，用來自Highyag的帶有中斷和漏洞檢測(cè)的工業(yè)LLK-B光纖加上Precitec （YK52） and Highyag （BIMOFSC）的加工頭。為了提高二極管激光器在寬波長(zhǎng)范圍的防反射涂層各個(gè)公司的加工頭是標(biāo)準(zhǔn)切割頭。為連接系統(tǒng)到任意的自動(dòng)系統(tǒng)，可以允許不同的借口。

2KW的二極管激光器系統(tǒng)以950 mm/min的速度對(duì)4毫米的不銹鋼板切割。經(jīng)測(cè)量，切割邊緣粗糙度是10±5μm。切割氣體氮?dú)鈮簭?qiáng)為12bar。我們也切割厚度為0.5-6毫米的不銹鋼。對(duì)于厚度大于等于5毫米的，切割速度于2KW的光纖激光器和CO2激光器相同。在0.5-6毫米的板厚范圍里，其切分邊緣粗糙度于CO2激光器的相近。

對(duì)于2KW二極管激光器對(duì)鋁板的融合切割所得到的切割粗糙度于切割不銹鋼板相同Rz = 10 ± 5μm，這個(gè)值比光纖激光器的要好。在10bar N2的情況下對(duì)3毫米鋁板切割的速度是1 m/min。盡管較好的切割質(zhì)量，最大切割速度比光纖激光器的低。

2kW DIOCUT系統(tǒng)也可以用氧氣切割。切割質(zhì)量相當(dāng)，切割速度與光纖和CO2相近。10毫米低碳鋼氧氣切割，在1.5 bar O2的工作氣體下，2KW系統(tǒng)的速度為1.25 m/min。切割邊緣質(zhì)量和細(xì)溝結(jié)構(gòu)和二氧化碳激光器對(duì)低碳鋼切割的相當(dāng)。氧氣切割3毫米銅板速度為200 mm/min。工作氣體為2.5 bar O2。切割邊緣粗糙度值比光纖激光器的小。然而切割速度比光纖激光器的小。

3.展望

kW級(jí)的高功率二極管激光器應(yīng)用于金屬切割剛剛開始，有更好的二極管系統(tǒng)就能進(jìn)入這個(gè)巨大市場(chǎng)。我們下一步的目標(biāo)是提高功率開發(fā)3kW22mm*mrad激光器。更高的功率意味著更快的切割速度且能夠切割更厚的材料。目前結(jié)合寬帶增透膜為光纖激光和碟片激光設(shè)計(jì)的激光切割頭已經(jīng)投入使用。將來激光加工頭可以設(shè)計(jì)成能夠最好的利用多波長(zhǎng)的二極管激光器，這樣我們就可以把已經(jīng)達(dá)到的功率更有效的用于工件加工上。

4總結(jié)

應(yīng)用結(jié)果表明二極管激光器在金屬宏切割市場(chǎng)正在獲得市場(chǎng)份額。根據(jù)加工金屬，二極管激光器可以覆蓋較寬的應(yīng)用領(lǐng)域。切割質(zhì)量與二氧化碳激光器相當(dāng)。速度也很相近?？紤]到電光轉(zhuǎn)換效率，二極管激光器是現(xiàn)存的激光器中最有曉得激光源。高亮度二極管系統(tǒng)在不就得將來會(huì)存在如3 kW 22 mm*mrad。

參考文獻(xiàn)

[1]Marco Lentjes and Peter Bruns ，Metal Cutting with Multi kW Diode Laser， laser cutting， September 2012 No. 4

[2]Jiande Han and Michael C. Heaven*，Gain and lasing of optically pumped metastable rare gas atoms， Optic Lasers June 1， 2012 / Vol. 37， No. 11

[3]M. Rütering： Lasertechnik vergleichen， Laser Technik Journal 7（2010） 6， 27.