高亮度、高功率固體激光源，如光纖激光器，展現(xiàn)了它們?cè)谖磥斫饘偾懈顟?yīng)用中的潛力。IPU前身為丹麥產(chǎn)品發(fā)展學(xué)會(huì)，即Institute for Product Development，有一個(gè)研發(fā)的新概念采用了單模光纖激光器進(jìn)行激光切割，已開始在DOEFLAC和ROBOCUT兩個(gè)項(xiàng)目中得以應(yīng)用，并與許多其它項(xiàng)目伙伴開展合作。 

       最初的實(shí)驗(yàn)測試表明，這種新的加工方式有潛力超越先進(jìn)的光纖激光切割和CO2激光切割，比后兩種激光切割技術(shù)的加工速度更快、效果更好，而且更便宜。預(yù)計(jì)，兩個(gè)項(xiàng)目完成之后，這種切割技術(shù)將日益成熟并達(dá)到一定水平，可依照通常的商業(yè)條件用于制造出產(chǎn)品并銷售。 

定制光束形狀 

       這些項(xiàng)目基于一個(gè)原則，即：與使用單束圓形激光束的傳統(tǒng)激光切割相比，新的切割工藝采用了復(fù)雜的激光光束形狀。利用大功率單模光纖激光器獨(dú)特的聚焦特性，產(chǎn)生復(fù)雜的光束形狀，并使之有可能從整體激光能量中分出一部分，以便創(chuàng)建一個(gè)“匙孔”，用于激光焊接或激光切割應(yīng)用中。其余的能量將分配到熔體；在此之前，主光束用來創(chuàng)建一個(gè)適當(dāng)?shù)母哒羝麎毫Ψ植荚谌廴诓牧媳砻?。這使得它可以將局部壓力施加在切口流出的熔體上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在激光切割中常用的同軸氣體噴射的壓力。結(jié)果是，切口非常狹窄。新工藝極具潛力，在較大的切割速度范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生毛邊，而且在狹窄的輪廓切割中也能進(jìn)行高速切削，產(chǎn)生高質(zhì)量的切口（圖1和圖2）。

圖1、幾種切割方式：典型的激光切割、先進(jìn)的匙孔激光切割，以及采用定制的激光束進(jìn)行切割。

       而且，通過正確地定制激光光束形狀（添加“蓋”形的光束形狀），即使沒有使用切割輔助氣體，熔融流體也會(huì)沿著入射激光束相反的方向流出切口。因此一個(gè)單通道遠(yuǎn)程切割技術(shù)被開發(fā)出來，這種技術(shù)具有明確的應(yīng)用前景，比先進(jìn)的遠(yuǎn)程激光切割能更有效地從切口處去除熔融物。 

 

光束整形 
       這種激光切割技術(shù)的核心是光束整形,可以通過不同方式實(shí)現(xiàn)，例如：設(shè)計(jì)一個(gè)配有單模光纖激光器的系統(tǒng)。通過光束組合結(jié)構(gòu)——而不是把所有的單模傳輸光束匯入一條大的傳輸光纖中，就能將這些光束傳輸?shù)角懈铑^，正如用于大功率多模光纖激光器配置。

 
圖2、原理圖：定制激光束的光強(qiáng)。

       應(yīng)用一個(gè)單模光纖激光源。采用一種先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)與一個(gè)特別設(shè)計(jì)的人工全息圖（也稱為衍射光學(xué)器件），將輸入激光束轉(zhuǎn)換為輻射模式，以便優(yōu)化給定的激光切割工藝（圖3）。由于光束模式是非對(duì)稱的（圖2），衍射光學(xué)器件必須根據(jù)實(shí)際切割方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

 
圖3、原理圖：采用定制激光束模式的遠(yuǎn)程激光切割系統(tǒng)關(guān)于強(qiáng)激光產(chǎn)生蒸汽壓力的機(jī)制，早在幾十年前激光鉆孔和匙孔穿透型激光深熔焊接時(shí)就為人所知，局部的蒸汽壓力是穿透性鉆孔的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，并且用于產(chǎn)生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的歷史，當(dāng)年一群科學(xué)家在弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研究采用CO2激光器對(duì)鈑金做高速切割。然而，用CO2激光器進(jìn)行匙孔激光切割僅限于非常薄的板材，這是由于匙孔中形成強(qiáng)大的等離子體，這也在高功率CO2激光焊接中出現(xiàn)。 

        高亮度光纖激光器的聚焦性能及其波長，使得這類激光器能夠在厚板上進(jìn)行匙孔切割，因?yàn)楣饫w激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因?yàn)榭梢愿行实貙⑷刍飶那懈钋把氐闹行木€除去，匙孔切割比通常的激光切割更高效；在前者的加工過程中，被熔化的材料會(huì)在激光束的前方流下去。這使得熔融層厚度更薄，因而確保從熔融表面能夠有效地傳導(dǎo)熱量，表面的熔體前沿吸收了激光，而且需要能量以熔化更多的材料。然而，在匙孔切割中，激光束周邊的熔融流體會(huì)引發(fā)質(zhì)量問題。熔化物從切割側(cè)邊流走，這將使切割質(zhì)量惡化，因?yàn)楣饫w激光器切割速度很快，但當(dāng)切厚度增加時(shí)，切割質(zhì)量并不高。 

        在典型的激光切割和先進(jìn)的匙孔切割中，同軸氣體輔助方式是清除熔融物的唯一動(dòng)力；切口必須放大，以便減少通過切口處的壓力。這里，激光輻照所得到的壓強(qiáng)更大，并且在整個(gè)切口處都經(jīng)受著巨大的壓力。因此，能夠完全根據(jù)光路限制來設(shè)計(jì)定制激光束的新方法，它能切割出比采用先進(jìn)激光切割方式下更狹窄的切口。

圖4、采用定制的激光束形狀進(jìn)行切割，配有輔助氣體

 
圖5、對(duì)比圖：遠(yuǎn)程激光切割與采用定制激光束形狀的切割。

迄今為止開展的實(shí)驗(yàn) 

       迄今為止，采用這種新方法開展的實(shí)驗(yàn)顯示出在大范圍變化的切割速率下有明確的質(zhì)量改進(jìn)，并已證明，幾乎可以得到無毛刺切割的效果。這兩個(gè)項(xiàng)目的前景顯而易見（圖4和圖5）。此外，單次遠(yuǎn)程激光熔化切割的結(jié)果（來自通快公司）已經(jīng)證明，熔化物的去除只能通過激光輻照。 

       然而通快公司的解決方案是基于一個(gè)圓形的激光束，這要求通過散焦來實(shí)現(xiàn)上述工作機(jī)理。它不是理想的解決方案，因?yàn)檫@種條件下要求熔融物從激光束前方的切口排出去——已經(jīng)公開的結(jié)果清晰地顯示了這點(diǎn)。另一個(gè)遠(yuǎn)程切割技術(shù)經(jīng)由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer IWS）證明，即一個(gè)高度聚焦的圓形單模激光束在材料表面上掃描多次，進(jìn)行深度雕刻。這種技術(shù)只適用于薄板切割；由于需要多重掃描，掃描的優(yōu)勢或多或少喪失。 

        此項(xiàng)目的關(guān)鍵工作目前集中在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的計(jì)算和制造，為測試階段做準(zhǔn)備，并且在丹麥奧爾堡大學(xué)建立實(shí)驗(yàn)設(shè)施，其中包括了一臺(tái)3千瓦單模光纖激光器。(end)