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为什么光束传输很重要

发布时间:2020/02/10 10:31

为什么光束传输很重要

整形和聚焦激光束以完成手头的工作

发布于:2020年2月10日

发布人:bet9九州体育登录

关于:激光切割

激光切割



如今,激光已渗透到金属制造应用的广泛领域:切割,焊接,钎焊,表面处理,热处理,钻孔等。激光类型不同。今天,那些执行常规平板切割的人有更多选择,无论是固态光纤或盘形激光器还是二氧化碳气体。焊接,铜焊和堆焊应用可能需要不同的激光器类型,包括直接二极管泵浦,二极管泵浦,闪光灯泵浦以及其他YAG激光器迭代。不过,那只是图片的一半。如果没有有效的,经过微调的光束传输系统,世界上最强大的激光器将无法工作。

它的设计取决于应用程序,但是一些基本元素奠定了基础。它们在一起提供了多种选择,以找到最有效的方式来承载和成形光束,使其从激光源到工件。

光学类型

光束可以结合使用透射(透镜)或反射(反射镜)光学器件进行传输和聚焦。最常见的透射式光学设备是间接冷却的,水冷却到靠近光学元件的安装位置。反射光学器件可以承受更高的热量,这就是为什么许多人将其用于大功率应用。它们可以在表面下方几毫米处具有带有加工通道的铜基板,从而可以直接进行水冷却

透射光学器件最适合4到6 kW的激光器。除此之外,带有铜基板的反射光学器件的功能要强得多,因为它们导致的热焦点偏移要小得多。这种变化是由于热量积累而发生的。想象一个简单的凸透镜,其中心比边缘更厚。当激光通过时,透镜的中心会比边缘的温度高,因为该中心是大多数激光能量聚集的地方。在间接冷却的系统中,它也恰好距离冷却区最远。这种加热会稍微扩展光学元件,因此实际上可以使焦点移动明显的量。这种热转移会持续几分钟。

另一方面,直接冷却的光学元件仅具有十分之一的热位移,而这种位移以毫秒为单位而不是数分钟。直接冷却可以最大程度地减少光学元件上的温度变化,从而实现这一目标。

光束传输基础

在激光源和聚焦头之间,工业激光束可以通过反射光学器件或光纤传递。交付方式取决于所涉及的激光类型和功率。CO2激光器通常需要一系列反射光学器件,而许多固态激光器(包括磁盘,光纤以及二极管泵浦和闪光灯泵浦的YAG品种)可能会通过传输光纤到达聚焦头。

仅仅因为激光是固态的,并不能自动使它通过光纤传输给所有应用。例如,在航空航天市场中用于钻孔应用的某些高峰值功率YAG激光器像气体激光器一样,使用标准反射镜来发射光束。对于传统的光纤传输,光束能量和峰值功率太高了

对于使用反射光学器件的激光器,有几个元件可帮助将光束传输到一个或多个聚焦头。甲弯曲光束用途冷却反射镜从其原始路径引导激光束90度。它还会稍作调整以使光束恰好对准下一个行程阶段。

甲光束梭本质上是一个移动的反射镜。当引入光束时,它将激光束沿多个路径之一发送。在两路径系统中,光束梭被放置在光束路径上方。为了改变路径,光束穿梭机向内移动以拦截光束,然后沿另一条路径发送光束。当航天飞机再次缩回时,光束返回其先前的路径。一个系统可以有许多光束梭,尽管通常最多只有三个。光束可以发送到各种工作空间,或者在某些情况下可以发送到诊断设备。
激光喷嘴
提供数百种喷嘴,均针对各种操作参数进行了定制。

穿梭机和弯曲机不能同时将光束发送到多个位置。换句话说,它们不分裂光束,仅改变其方向。为了将气体激光束立即发送到多个区域,分束器发挥了作用。这些要求光学元件仅具有50%的反射率,大致类似于双向镜或镜面太阳镜。这种光学器件具有特殊的涂层,可以使一半的激光束功率通过,同时将剩余的光束功率沿新方向反射。这意味着50%的光束功率沿一条光路反射,而50%的光束沿另一光路反射。

许多人使用分束器来处理通常相距不到半米或更短的组件。分离器允许一个激光电源将能量发送到两个聚焦头,后者通常处理相同的零件。该设置具有成本效益,因为功率两倍的激光器并不昂贵。换句话说,拆分一个激光电源可以比购买两个完整的激光器便宜。这样的双机构基本上可以共享同一运动系统的元件,这也比两个单独的系统便宜。

在光纤传输的激光器中,当光束能量进入传输光纤时,大多数光束分离发生在电源处。这大大简化了将束能量发送到多个工作区域的过程。

光束准直

光纤激光器需要准直。这将从传输光纤中获取光束能量,并将其转换为光束大小(直径从5毫米到45毫米不等),可以使用透镜和反射镜定向和聚焦

传输光纤发出的光束以锥形光束的形式出现,它将继续扩展,直到撞到将其准直成平行光束的物体为止。准直仪的光学元件离传输光纤越远,所产生的平行光束越宽。准直光学元件位于其焦点处。如果光学元件的焦距为100 mm,则必须将其放置在距离光束从传输光纤射出的位置100 mm的位置。

典型的光束准直仪焦距为25至200 mm。高功率激光器通常受益于具有长焦距的准直仪,因为这可以使功率密度扩散,使较少的集中热量通过光学器件并延长其寿命。

在光纤传输系统中,一个简单的公式给出了最终光斑尺寸的概念,该最终光斑尺寸最终出现在工件上:光斑直径=传输光纤直径x(焦点光学焦距/准直仪光学焦距)。这就是为什么焦距更长的准直器不仅意味着准直光束的直径会更大,而且在工件上的最终焦点尺寸也会变得更小

具有高光束质量和小光纤直径的激光器需要具有短焦距的准直仪。这是因为这些光束的发散度非常低。当它们从传输光纤中出来时,它们只会扩散很小。不需要很长的焦距就可以将其准直成平行线,然后再将其聚焦回所需的焦点。在典型的多模光纤激光器中,如现在用于切割平板的各种机器中,从传输光纤射出的光束的直径可能在20到45毫米之间。单模激光器(通常用于微焊接等低功率应用)的光束直径可能仅为5或10 mm。(请注意一些激光器的基本知识:CO2激光器产生的10微米光束和光纤或磁盘激光器产生的 1微米光束是指激光的波长,而不是光束直径。)

聚焦头组件

找到并保持最佳焦点的大小和形状取决于应用程序,但是所有激光器都使用一些通用工具来获得焦点,并在整个处理周期内保持焦点尽可能一致。

自动对焦头。在这种设置中,聚焦头基于来自接触式或非接触式工件传感器的反馈进行调整。在非接触式布置中,气体喷嘴用作电容传感器,以测量其与下方的导电工件之间的间隙。然后,该信号控制伺服系统,该系统可调节磁头的高度以保持最佳聚焦,即使工件表面高度意外变化也是如此。对于非导电材料,可以使用传统的接触感应系统,包括末端带有滚珠的动臂。

要执行这些调整,可以使用激光切割机在Z轴上移动磁头。也可以对聚焦头进行独立的Z轴调整,这在某些应用中效果很好,例如安装在机器人上的磁头可能无法反应足够快以提供过程中的高度调整。

这些光学器件将光束成圆圈发送,以非常快地切割出精确的孔。光学开孔器具有一对楔形光学元件,相隔一小段距离。旋转这些楔形之一会产生一个偏离光束中心线的偏移,从而使焦点快速移动。通过调整这些楔形位置并将它们一起旋转,系统可以创建半径和速度可变的圆形运动

另一种策略是使用伺服电机驱动的反射镜来改变光束路径的长度,以使其焦点成圆周运动。可以将光束横截面视为老式蒸汽引擎上的车轮,而将焦点视为车轮外径上的杆连接点。光束位置本身不会左右移动或上下移动。取而代之的是,移动光束路径长度会导致光束的一个轴快速变化,从而使焦点在圆周上快速移动。

扫描仪和振镜。这些伺服驱动镜放置在聚焦透镜之前或之后,可将激光束快速地逐点引导。它们特别用于远程焊接应用,在该应用中,聚焦透镜距工件表面一米或更远。

喷嘴 从字面上看,可以使用数百种不同类型的喷嘴(要选择最好的激光器,需要权衡许多变量,包括零件特征,手部操作(切割,焊接,熔覆,热处理等),零件和材料特征以及激光器的波长。喷嘴选择本身就是一门科学。

为了处理受机械障碍和其他限制进入工作区域的物体,可能需要使用细长的细长喷嘴。具有电容式高度感应功能的平板切割可能需要短而短的喷嘴。但是,喷嘴越长越细长,机械上就越脆弱。孔口直径也随参数而变化。对于许多应用来说,机加工的喷嘴就足够了,但是关键的激光加工可能会受益于冷成型的喷嘴,这些喷嘴可提供光滑的镜面效果。

材料类型和厚度也起作用。例如,在涉及金属箔的应用中,激光系统可受益于淋浴喷头,其中小的气体喷射孔围绕中心孔。这将辅助气体分布在喷嘴的周围,并防止了激光操作过程中薄片的铝箔飞舞。

贯穿镜头观看。多年来,高功率激光系统已使用可见红外激光来帮助操作员聚焦光束。不幸的是,这些可见激光与实际加工激光聚焦在不同的平面上。因此,对于可能需要精确聚焦以及常规过程监控的精密工作,许多人都使用了镜头直视。可以对安装在光路上方的摄像机进行设置,使其焦点与激光束的焦点相同。使用这些系统,您所看到的就是您得到的。

镜头抽屉。聚焦头可以具有可容纳不同焦距的镜头的卡盒(或镜头抽屉)。典型的激光切割系统可能有一个带有5英寸焦距镜头的卡盘,以及一个刚好在上面的带有7.5英寸焦距镜头的卡盘。这种双镜头系统可以快速更换镜头。即使更换镜头,喷嘴也将与工件保持相同的距离。由于抽屉的位置,不需要进一步调整聚焦头。

碰撞保护和避免。碰撞保护系统基本上起着互锁的作用。损坏时,系统将关闭,以免机器受到更严重的损坏。这些可能需要机械开关,接近开关,气动装置和其他工具。防撞保护只是防止了聚焦头的损坏。

它们还可以节省大量昂贵的工件。假设激光切割了一片大片,并在手术进行到一半时坠毁。一些防撞保护装置允许操作员重设头部并在某个点重新开始,以使整个工件不会丢失到废料堆中。

某些系统还提供避免崩溃的功能。防撞技术使用与自动聚焦功能相同的感应工具,不断将信号发送回控制器。如果工件表面不在应有的位置,它将发送警报,尝试在发生碰撞之前停止碰撞。

考虑所有变量

激光比它的类型更多。无论您使用的是CO2,光纤,磁盘,闪光灯,二极管泵浦的YAG,还是其他任何设备,选择合适的光束传输和聚焦系统都至关重要。如果没有为应用提供适当的聚焦,则无论其质量如何,激光束都无法真正有效。

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