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是什么让激光金属制造成为不可或缺的工具

发布时间:[2019-06-10 10:15:19]

激光束是一件了不起的事情。连续瓦数激光束的能量密度比太阳的聚焦能量高出4万亿倍以上,制造商已经确定了利用这种极高功率密度的方法,从切割和焊接金属板到PCB板上的钻孔。

激光可以切割,连接和减去材料。他们甚至可以通过激光金属沉积或3D打印添加材料。我们可以通过光束直径操纵等方式改变功率水平,脉冲频率和能量密度,以便激光束可以为各种过程引发正确的材料反应。实际上,激光对工业的应用是巨大而多样的。

切削中的波长吸收

不同材料与不同波长的光的相互作用不同,使得某些激光源在处理某些材料时比其他材料更有效。例如,与使用CO 2激光切割相比,使用1-μm波长激光切割金属用于工业应用的已知益处之一是速度的提高其中大部分来自于该波长的光对例如碳钢的高吸收性(参见图1)。当在碳钢中进行熔融切割(即,用非活性气体如氮气切割)时,被切割的钢中有效吸收的小束光直接转化为更高的速度。

在使用诸如盘或光纤的固态激光切割期间,聚焦光束直径与激光发射的高吸收百分比相结合,允许非常快的切割速度。这种高于CO 2的性能凸起主要见于薄到中厚的材料,随着材料厚度的增加,其优势在缩小。光束的直径可以通过诸如光准直或通过移动聚焦透镜的位置(参见图2来控制到一定程度,但是对于可以产生多大或小的光束存在限制。


光束直径范围由光束传输光纤的大小决定(见图3)。对于用于切割金属板的激光器,通常使用100μm光束传输光纤。这种核心直径提供高光束质量和高切割速度。随着材料厚度变大,非常小的光斑尺寸成为一种负担,限制了性能,切割质量和工艺可靠性。

为了减轻这种影响,可以选择更大的芯直径。当然,这方面的缺点是最小光束直径变得比较小光纤芯所能提供的直径大得多。尽管质量和工艺可靠性大大提高,但较薄材料的速度受到损害。

这是双核光纤可以提供帮助的地方。一个小直径的芯与大直径的芯同轴安装。可编程快门改变哪个核心处于活动状态。这种光纤设计用于使激光切割系统在较薄的材料中实现高速度,并且在较厚的材料中实现高质量和可靠性。

焊缝直径和焦点

光束直径在焊接时起到另一种作用。激光焊接虽然不是新手,但在工作车间和原始设备制造商中具有很大的吸引力,因为它可以减少返工,从而节省成本; 更大的工程灵活性 并且消除了昂贵,耗时的下游工艺,如研磨和抛光。

在金属板材中,激光焊接主要有两种方式:热传导焊接和深熔焊接。热传导焊接使用位于工件上方的强散焦光束。光束的聚焦位置通常在工件表面上方6至12 mm范围内,但可高达25 mm。该过程将金属加热到其熔化温度以上而不形成蒸汽。功率密度范围为104至105 W / cm2,取决于金属的导热系数; 例如,碳和不锈钢比这种技术更容易焊接。

虽然热传导焊接呈现出与激光束垂直(90度)定位的高度美观的焊缝,尽管存在一些角度柔韧性并且对穿透深度有折衷 - 但是该工艺的效率稍差。当该工艺使用产生1-μm光的固态激光时,68%的能量从工件的照射区域反射,导致低的耦合效率,限制了穿透深度和焊接速度。使用CO 2激光器,耦合甚至更差,88%的光从照射区域反射,使得用CO 2激光进行热传导焊接是不切实际的。

图1 
磁盘和光纤激光器的1微米波长的能量有助于提高熔融切割过程中的切割速度。

尽管存在一些限制,但导热焊接仍然在制造商中非常流行,特别是在要求圆边的高度可见的应用中。想想厨房里的所有不锈钢器具,或者看看餐厅的厨房,看看所有的不锈钢表面。仔细观察,您可能会看到所有手工修补的磨痕和不一致的半径,这些都是处理传统焊接产生的问题。

看看那些用激光热传导焊接产生的相同部件,您会发现这些问题消失了。这确实激发了人们对激光焊接不断增长的兴趣,尤其是在大量返工成为常态的环境中。

使用相同的激光源和光束传输系统,可以使用第二种技术操纵光束密度和聚焦位置进行焊接。深熔焊或锁孔焊接使用大约0焦点位置; 也就是说,焦点位于材料表面处或附近,从而在工件处产生高能量密度。虽然热传导焊接的耦合效率相对较低,但采用锁孔焊接时,固态和CO 2激光源的耦合效率都很高耦合效率分别为10%和15%。

该过程将工件加热到高于发生蒸汽形成的温度,并通过流出的金属蒸汽的烧蚀压力形成蒸汽毛细管,从而形成“锁孔”,使该过程得名。功率密度为105至106W / cm2,穿透深度取决于锁孔的形成。

这种焊接技术提供高焊接速度,窄的热影响区和大量的焊接熔深。由于低能量传递和大的穿透深度,深穿透焊接更适合于厚材料或当焊接准备是表面到表面或表面到边缘时。理想的接缝准备是边缘到边缘的对接接头,尽管钥匙孔过程通常可以很好地适用于各种接头配置。

为了在导热焊接和深熔焊接之间进行选择,该应用推动了选择。虽然导热焊缝看起来更好看,但事实上的一个简单事实是,深熔焊接通常是两种选择中更便宜的,这主要归功于它的高焊接速度。也就是说,您仍然可以从深度穿透焊接的速度和低能量传递中受益,同时仍然获得热传导焊接所特有的良好,始终如一的圆形边缘。只需将已经锁孔焊接的接缝切换到更高焦点位置的梁。

激光引领潮流

激光器继续解决越来越多的制造问题,并且诸如光束直径和操纵的过程变量继续产生有意义的影响。从切割和焊接到添加材料层或去除它们,激光技术的进步肯定是第四次工业革命成功的关键因素。


脉冲电位

最新技术让我们了解激光器对金属制造及其他方面的巨大潜力。考虑超短脉冲持续时间的激光器。为了了解规模,光以每秒186,000英里的速度传播。在一秒钟内,光可以在地球周围行进7.5次。在皮秒中,光传播仅300微米!如果被处理材料的吸收持续时间小于电子 - 声子相互作用时间的吸收持续时间,则发生冷烧蚀; 金属不会被加热或熔化,而是完全分离。

冷烧蚀可应用于金属和各种其他材料,包括玻璃。在大多数情况下,使用划线和断裂工艺处理玻璃,其中力在划线处捕捉材料,或使用紫外(UV)激光进行表面烧蚀。

图2 
通过移动聚焦透镜的位置可以在一定程度上控制光束直径。

为何选择紫外激光?它与吸收有关。在正常条件下,红外光(~1μm)的光子不被透明材料吸收。我们这些试图在光盘或光纤激光器上切割透明材料或涂层的人都非常清楚这一点。这就是玻璃处理器使用紫外激光器的原因,但它们也可以采用另一种方法:通过具有超短脉冲持续时间的激光进行非线性光吸收。

同样,在线性吸收条件下,透明材料不吸收光子。但是在非线性光吸收中,几个光子同时被吸收,结合它们的能量并允许IR(例如盘或光纤)进行UV激光的工作。

这是通过达到那些超短脉冲持续时间来实现的。它们将能量与消融相结合,而不是通过热过程而是通过材料的直接离解。这种冷烧蚀允许更精确的材料加工。这一过程与光学系统相结合,创造出细长的光束轮廓,使激光器在透明材料中实现极高的切割速度。

图3 
输送纤维直径决定了光束直径范围。

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