通過(guò)光束傳輸保證激光切割的連續(xù)性、穩(wěn)定性和過(guò)程可靠性

該技術(shù)采用激光束照射到鋼板表面時(shí)釋放的能量來(lái)使不銹鋼熔化并蒸發(fā)。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500~2500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，但是，通過(guò)透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進(jìn)行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發(fā)。此外，由于能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，所造成的變形很小或沒(méi)有變形。利用激光可以非常準(zhǔn)確地切割復(fù)雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進(jìn)一步的處理。

利用激光切割設(shè)備可切割4mm以下的不銹鋼，在激光束中加氧氣可切割8~10mm厚的不銹鋼，但加氧切割后會(huì)在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm,但切割部件的尺寸誤差較大。激光切割設(shè)備的價(jià)格相當(dāng)貴，約150美元以上。但是，由于降低了后續(xù)工藝處理的成本，所以，在大生產(chǎn)中采用這種設(shè)備還是可行的。由于沒(méi)有刀具加工成本，所以激光切割設(shè)備也適用生產(chǎn)小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。目前，激光切割設(shè)備通常采用計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制技術(shù)（CNC）裝置，采用該裝置后，就可以利用電話線從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工作站來(lái)接受切割數(shù)據(jù)。

對(duì)于光束傳輸從其定義來(lái)看都包含什么，各種理解不一而終。從最廣泛的意義上來(lái)講，光束傳輸包括從諧振腔到切割頭的完整光束通道。從更加嚴(yán)格的意義上講，光束性能與傳輸部門(mén)激光物理學(xué)者Andreas Lüdi稱："另一方面，完整的光束傳輸概念并不存在?？梢哉f(shuō)，光束傳輸質(zhì)量是百超區(qū)別于其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一項(xiàng)要素。有了基于大量技術(shù)訣竅和能力的光束傳輸技術(shù)，百超有實(shí)力獨(dú)樹(shù)一幟。"

光束傳輸?shù)娜蝿?wù)就是保持激光束高品質(zhì)由諧振腔傳輸?shù)角懈铑^，從而保證了切割過(guò)程的連續(xù)性，確保了切割穩(wěn)定性和過(guò)程可靠性。光束傳輸根據(jù)機(jī)床的尺寸可以有幾米長(zhǎng)，它必須根據(jù)具體的要求加以構(gòu)造，只有這樣才能有效抵消或者補(bǔ)償影響降低光束質(zhì)量的各種因素。

諧振腔和光束的形成

光束的形成主要是靠諧振腔中的透鏡以及擴(kuò)束系統(tǒng)中的兩個(gè)遠(yuǎn)視鏡。

圖1 光束從諧振腔輸出端到包括切割頭之間傳輸

百超應(yīng)用飛行光路技術(shù)（圖1），激光源是固定的，緊貼機(jī)器，切割頭所在的切割橋既輕便又靈活。正是由于移動(dòng)架的重量較輕，可實(shí)現(xiàn)高的加速度和高速移動(dòng)。這確保了快速高效率切割，但對(duì)光束傳輸也提出了額外的要求。與激光束的自然屬性相稱，由諧振腔發(fā)出的光束呈腰形（圖2）。由于透鏡在移動(dòng)，產(chǎn)生的光束長(zhǎng)度也隨之發(fā)生變化，到達(dá)工件的光束在沒(méi)有抵消措施的情況下將呈現(xiàn)不同的特征（焦距長(zhǎng)度和橫截面）。這確保了光束橫截面保持基本的連續(xù)性，即在事實(shí)上保持其不因長(zhǎng)度改變而有所變化。使到達(dá)切割臺(tái)任意點(diǎn)的光束始終保持一致。

圖2 激光束覆蓋整個(gè)切割范圍

與其重要性相符，光束在光束傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)正確成形。下一個(gè)決定性的階段是使高品質(zhì)光束傳輸?shù)竭_(dá)切割頭。這個(gè)過(guò)程可在防護(hù)罩中完成。

防護(hù)罩和光束傳輸通道

擴(kuò)束和偏振作用之后，光束必須得到充分保護(hù)，以便在到達(dá)切割臺(tái)時(shí)保持其特征。百超的激光傳輸是在帶防護(hù)罩的光束通道中完成的。這個(gè)裝置非常復(fù)雜，它必須滿足質(zhì)量方面的許多需求：首先它不能是易燃的，必須是完全密封的，須有一定的使用壽命，不能透氣。由于在技術(shù)上這樣做是行不通的，所以百超利用純凈空氣（即幾乎沒(méi)有濕度的空氣）保護(hù)光束通道，濕氣和塵垢一樣具有類(lèi)似的負(fù)面作用，可改變光束的橫截面和光束特征，另外一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是CO2含量。為了防止上面所提及的類(lèi)似雜質(zhì)進(jìn)入周?chē)目諝?，防護(hù)罩要保持一定的壓力。

BySpeed激光切割機(jī)，切割頭以169m/min的速度移動(dòng)，在空氣動(dòng)力學(xué)中會(huì)出現(xiàn)巨大的差異。這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一定的風(fēng)險(xiǎn)，光束通道中的某些點(diǎn)上會(huì)有負(fù)壓力而不是所希望的正壓力。所面臨的挑戰(zhàn)是通過(guò)利用精確測(cè)量的動(dòng)態(tài)光束傳輸、防護(hù)罩交換器和靈活的通道避免出現(xiàn)類(lèi)似的情況。所有這些措施都確保了聚焦及精確的光束到達(dá)切割臺(tái)，而不是分散的光束。

切割頭和光束聚焦

光束傳輸?shù)慕K點(diǎn)是切割頭。切割頭的聚焦光學(xué)元件可以確保切割工件的激光具有高強(qiáng)度和高度集中。由于適應(yīng)性光學(xué)元件和可調(diào)整透鏡的存在，焦點(diǎn)的位置也可以改變，由于材料的密度、特征以及所使用的切割氣不同，需要有不同的焦點(diǎn)位置。切割頭構(gòu)造的最主要挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)出耐用度最強(qiáng)重量最輕的切割頭，要能夠經(jīng)受住切割過(guò)程中產(chǎn)生的重壓以及張力。另一方面，切割頭應(yīng)該便于使用，容易更換，有盡可能多的功能。

"只有所有的部件都完美地配合時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化，光束傳輸環(huán)節(jié)越來(lái)越被重視。"Roland St?ckli贊同地表示。只考慮光束傳輸中的某一點(diǎn)而忽略其他部件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。任何想把系統(tǒng)推至完美使速度達(dá)到極限的人都必須確保所有的核心部件（諸如光束傳輸?shù)龋┒家愿哂跇?biāo)準(zhǔn)要求。