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如何解决高功率激光焊接离焦量问题

更新时间  2022-02-27 03:14 阅读
本文摘要:在激光焊领域,随着高功率光纤激光器和碟片激光器的引进,机遇和挑战以有史以来最慢的速度在很快地快速增长。最值得注意的是,更高激光功率和光束质量使其应用于范围有机会扩展到加深的激光浅熔焊,这也为激光探讨光学组件带给了一个全新的挑战。 具体来说,探讨光学组件面临的挑战或者说障碍被称作离焦量(focalshift),对这一问题的叙述早于在十年前就由DirkLange明确提出。该研究对离焦量展开了定义和分析(在YAG功率低于不多达3kW时为1mm/kW)。

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在激光焊领域,随着高功率光纤激光器和碟片激光器的引进,机遇和挑战以有史以来最慢的速度在很快地快速增长。最值得注意的是,更高激光功率和光束质量使其应用于范围有机会扩展到加深的激光浅熔焊,这也为激光探讨光学组件带给了一个全新的挑战。  具体来说,探讨光学组件面临的挑战或者说障碍被称作离焦量(focalshift),对这一问题的叙述早于在十年前就由DirkLange明确提出。该研究对离焦量展开了定义和分析(在YAG功率低于不多达3kW时为1mm/kW)。

凑巧的是,在同一时期,EWI在一项牵涉到光束耦合器应用于中仔细观察到在4kW光纤激光功率时也有类似于的现象。但EWI在开始10kW功率的光纤激光焊试验时才仔细观察到离焦量对激光焊导致的实际影响。  掌控和管理离焦量  激光焊过程中离焦量的产生过程如图1右图。

为了便于辩论,我们假设具备非常低的吸收率的透镜和一个维护盖片的1微米探讨光学组件在十分洁净的情况下开始传输。意外的是,这种情况在生产环境中是很少不存在的。

有时在焊时(或之前),烟尘、蒸汽、油、溅物或其他形式的污染物不会在最近的光学表面上找到维护玻璃窗口。这种污染不会使得窗口局部短路,产生热变形和窗口折射率的变化。

这个结果不会造成焦点靠近工作面而向光学组件移动,从而产生更加多污染和焊熔深的损失。图1:激光焊中离焦量的再次发生。  有很多关于掌控和管理离焦量的解决方案。首先,最少见的是气刀,这实际是一种高速、纵向的洗手的气流或其他气体,目的维护最末的光学表面免遭污染。

有许多种有所不同的气刀(也被称作窗口保护装置)被用来解决问题离焦量问题。其中有些设备用于了散射光监控解决方案来检测污染何时开始,并期望以此能在产生不当焊缝之前停止焊过程。意外的是,目前还没有人能制作出有一种几乎有效地的窗口保护装置,并且过程中的污染并不是让入射探讨光学组件再次发生热移位的唯一原因。

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  探讨光学组件的替代方案  面临这一现实,EWI开始研究激光探讨光学组件的替代方案,设计准则如下:  ●尽量多地增加光学传输装置;  ●用于热稳定性较好的光学传输装置;  ●在有可能的情况下用于金属反射镜;  ●获取更佳的光学加热;  ●摆放最末的光学表面时使其靠近工作面。  依据这些准则,EWI制作出有一种复合式探讨光学组件,绰号叫bazooka(火箭筒)(图2),该组件子集了多种创意的功能。

首先,激光光纤收敛光束的光束是用经过金刚石工件处置的硫化锌材料透镜已完成的,这种材料的热导率是传统的光学传输材料石英玻璃的20倍。对这种材料展开金刚石车削(DT)意味著可以在凸面获得理论上极致的透镜面形。其次,这个透镜的平面一侧通过与另一个DT表面(水冷透镜支架)必要认识来加热。

这样的DT面与DT面认识能产生极为高效的热传递,从而让光束透镜维持加热。图2:Bazooka(火箭筒)复合式激光探讨光学组件。  火箭筒的准直光束的探讨是用标准的离轴、水冷抛物面镜已完成的,这种抛物面镜几十年来一般来说用作高功率CO2激光焊系统中。

这种牢固的未镀膜的光学表面对污染完全几乎免疫系统,可以被多次清除,能避免溅物认识到中间窗口。这种中间窗口对于维护比较较便宜的ZnS光束透镜来说是很有适当的。

并且在此窗口的输入外侧用于洗手气流来防治烟尘和其他短距离污染物。  在最低不多达8千瓦的光纤激光功率情况下,这种填充光学设计的离焦量完全为零(~0.2mm/kW)。

出人意料的是,这与EWI所有的传统传输探讨设备测量的离焦量忽略。这种现象被归因为传输光学组件的负离焦(上方)和并未镀膜铜反射镜这一面的正离焦(下方)的融合而引发的。


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