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激光焊接运用中的可调环塑形——将激光构成被环形盘绕的光斑功率比接连可调

发布时间:2022-06-19 23:48:46 | 作者:华体会体育登陆入口 点击量: 8
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  高激光焊接速度能够经过运用环形和中心光斑激光照明概括来完成,环形能量与光斑的份额可调,然后优化工艺。本文 提出了一种新颖且简略的根据衍射的概念,以完成规范光纤激光器的这种可调整形。 该模块在中心光斑的 100% 能量到无能量之间旋转可调,能够与单模和多模激光器一同作业,高度紧凑 ( 长度小于 20 mm) ,并具有被迫衍射组件的高 LDT 。 这个概念省去了特别环形光纤激光器的需求,使焊接激光头的规划更简略。

  激光焊接是一种广泛运用于轿车、造船、电池组等职业的许多工业进程中的技能。在许多激光焊接运用中,焊接速度正敏捷成为最要害的工艺约束之一。其间一个比如是在不断添加的可移动性商场中的焊接,在该商场中,激光被用于焊接电池触点,快速焊接能够在电池生产中完成更高的吞吐量和本钱节省。另一个比如是,轿车职业对快速且经济高效的激光焊接的需求日益添加,由于燃油功率要求鼓舞制造商运用更多铝和先进资料,需求对车门、悬挂部件、超高强度钢组件和铝车身结构进行激光焊接。

  这种激光器的可用性转化为功率,实际上不再是焊接速度的约束。相反,人们发现,激光焊接速度遭到各种物理现象的约束,这些物理现象在高速焊接时占主导地位,例如飞溅、驼峰和焊缝气孔的添加。

  当运用一种特别的照明散布时,这些现象已被证明是大大削减的,这种照明散布由一个环围住的中心光斑组成,中心光斑和周围的环之间具有必定的功率比。不同的焊接工艺参数(如金属厚度、金属类型和几许形状)需求不同的比率,以在高速焊接时供给最佳工艺。因而,关于许多体系集成商来说,一种能够供给可控、可调的功率成形比的解决方案是一种优势。

  发生环形和中心光斑照明概括最常用的办法是运用具有双芯或三芯的特别多模光纤激光器。中心磁芯由一个或两个同心环形磁芯围住。每个中心能够独自设置其激光功率,然后使中心光斑的功率与周围光环的功率可调。然后将光纤输出直接成像到作业平面上,给出所需的照明概括。

  这种可调光斑型光纤激光器现已被包含Trumpf、Coherent、IPG、NLight等在内的高功率光纤激光器商场上的大多数抢先公司所选用。

  这些光纤激光器的首要长处之一是不需求外部整形光学元件——整个整形进程在光纤激光器等级进行操控。只需将光纤准直器刺进适配器,即可开始运用光束,其强度散布由计算机操控且实时可调,然后完成快速、无缺点的焊接。

  首要,与惯例多模高功率光纤激光器比较,这种激光体系具有额定的复杂性和本钱。第二,这种光纤的高NA意味着有必要运用特别的准直器,与当今光纤激光器运用的规范焊接光学元件比较,一般需求更大的光学元件。最终,中心点和光环之间的比率一般是有限的。为了在焊接点取得更多功率,有必要添加环内的功率,由于中心铁芯只能支撑小于6–8 kW的典型极限功率。这意味着,除非运用定制的光纤芯,不然大部分功率进入中心光斑,只要一小部分功率进入环形腔内十分有用的装备,不能与全激光功率一同运用。

  在这篇文章中描绘了一种根据光纤的环形和光斑整形的代替办法,该办法答应彻底调整功率比,一同依然是一种相对简略、经济高效且直接的光学概念。该办法根据衍射光学,由添加到体系中的外部光学模块组成。此办法为激光体系集成商供给了一个很好的解决方案,这些集成商现已具有多千瓦光纤激光器,并期望用新功用晋级其焊接体系,以及新焊接体系的规划师。他们正在寻觅光纤级成型解决方案无法供给的功用。

  主张的衍射办法根据之前在《Photonics Views》杂志上宣布的题为“可调功用光束整形办法”的出版物,在该出版物中,本研讨回忆了可调光束整形的不同概念,包含根据子孔径的环与中心光斑可调整形器。当时的概念是该文中所述概念的修订版,它更优化了运用程序,具有更好的散焦行为,与实在的激光焊接公役兼容。

  衍射整形解决方案由两个相同的二元衍射元件(也称为相位板)组成,放置在同一光轴上。每个元件的圆形净孔径被分红偶数个方位段。其间一半是明晰区域,另一半具有衍射二元轴棱锥的光学功用,台阶高度相当于π弧度。

  经过旋转一个相位板和另一个相位板,能够调整环和中心点之间的功率比。在板之间旋转为零的状况下,如图1a所示,图画区域堆叠,导致穿过这些区域的光的相位推迟为2π。实际上,这意味着总相位为零,激光束不受影响,导致100%的能量流向中心光斑。

  在如图1c所示的旋转为完整段的状况下,这些段没有堆叠,发生的相位是二元衍射轴棱锥的相位,然后发生一个在中心点彻底没有功率的环。

  图1上行显现了两个二进制DOEs之间相对旋转方向分别为0、7.5、15度的3个方位(a、b、c)。下一行显现了与上一行的每个旋转方向相关的强度散布:一切功率会集在中心点(d),一切功率会集在环(f),一个中心方位,其间一些功率在中心点,一些在周围环(e)。(来历:Holo/Or)

  这两种状况之间的中心旋转状况导致一部分能量流向中心环,而其他能量流向中心点,这是一个由旋转视点决议的接连可调比率。图1b示出了这种状况的一个示例。中心点和环中能量的全体传输功率不断改动,从仅在中心点的~100%改动到仅在环中的~80%。功率丢失到达更高的衍射透射级,并以更大视点呈现二次环。

  整个改动规模发生在一个旋转视点上,在这个比如中是15度,并且是周期性的(即持续旋转将再次以相同的办法改动份额)。中心光斑的功率随旋转视点呈非线在中心点和周围环的相对功率图作为两个双星之间的相对旋转角的函数。(来历:Holo/Or)

  光学元件能够安装到现成的手动或电动旋转支架中,以创立光学模块。这样的模块能够放置在激光准直器后的光轴上,或许更好的是,直接放置在激光头或扫描体系的入口处。这些装备答应焊接光学元件与规范多模光纤激光器运用的元件保持一致,无需考虑更大的NA和所需的更大、更贵重的光学元件,如环形光纤激光器。电动旋转台的整个调整规模需求几毫秒,因而在需求时能够在进程中进行强度调整。但是,在典型状况下,功率比的可调理性仅在焊接工艺优化阶段才重要。一旦界说了工艺参数,可调环和点成形器模块就能够被一个具有定制环点功率比的无源DOE所替代,该功率比被认为是特定焊接工艺的最佳挑选,这供给了一种更紧凑、更经济的成形解决方案。

  衍射可变整形办法的另一个长处是能够与单模激光器一同作业。与环芯光纤激光器不同,在环芯光纤激光器中,环形始终是多模的,因而不能以合理的NA聚集到一个小光斑上,衍射模块能够构成一个具有环形和中心强度形状的小光斑,一同依然供给可调的比率。这种才能关于单模入射光束的微焊接特别有用,由于进程速度约束要素一般不是单模光纤功率,而是驼峰、气孔和其他问题,这些问题经过将部分激光功率转移到光斑周围的环形区域而削减。

  最终,衍射解环角对输入光束巨细不灵敏,因而为整形供给了更大的灵活性。这是由于环的直径是稳定的,但其厚度和中心光斑巨细能够经过在准直器后运用可变望远镜或运用不同的准直器来修正。这与根据光纤的环整形构成比照,环形厚度与中心点的联系是固定的,由于光纤的几许结构基本上仅仅成像到作业平面上。

  正如这篇文章中所描绘的,与环形光纤激光器比较,根据衍射的环形整形模块在焊接方面供给了多种优势,一同具有简略、低本钱和巩固的特色。