光纖激光器具有無與倫比的生產(chǎn)率、是精度和成本效益的組合，因此主導了鈑金切割市場。2-6kW范圍的光纖激光器已成為許多制造車間的主力，與傳統(tǒng)切割技術(shù)如二氧化碳（CO2）激光器和等離子體焰炬相比，它能提供更快、更精確的薄金屬切割。然而，許多光纖激光器系統(tǒng)被設計成僅適用于有限厚度范圍內(nèi)的金屬切割，特別是在此情況下，小而緊密聚焦的激光束能為薄規(guī)格的材料提供最快的切割速度，但對于較厚的板材，這種小光束在處理邊緣質(zhì)量和最大厚度方面存在較大的局限?；蛘?，由于切口較寬、較大光束可以提高厚板的邊緣質(zhì)量，但對于切割薄板則會發(fā)生很大的速度損失。
大型制造車間可以購買多個光纖激光工具，其中每種工具專用于切割特定的厚度范圍：用于輕型規(guī)格的小光束系統(tǒng)和用于較厚板材的大光束系統(tǒng)。對于只倚靠一種工具來切割所有金屬的較小制造車間來說，如果被限于某個固定尺寸，那么降低生產(chǎn)率將會被降低，特別是在面對不同的作業(yè)組合時。這些車間通常會改變切割頭中的聚焦透鏡，以更好地優(yōu)化給定作業(yè)的激光光斑尺寸。當激光器不能進行切割時，每次改變透鏡都會造成生產(chǎn)效率的損失，并且存在污染透鏡和切割頭的風險，這可能導致災難性的故障以及較高的維修和停機成本。
自動調(diào)整激光光斑尺寸的能力將大大擴展光纖激光器的適用性、生產(chǎn)效率和工藝窗口。大多數(shù)現(xiàn)行方法需要自由空間光學的機動。例如，變焦切割頭、改變光纖發(fā)射條件的光纖-光纖或自由空間-光纖耦合器、或耦合到獨立加工光纖的2-4輸出光纖-光纖切換。這樣的自由空間光學方法會顯著增加成本和復雜性，并且會降低工具的性能和可靠性。它們對失調(diào)、污染和環(huán)境條件（溫度、振動）敏感，造成功率依賴性（熱透鏡）、光損耗并（或）降低切換速度。變焦切割頭在頭部內(nèi)裝有電動鏡片，比標準切割頭更大、更重，從而降低了加速性能，并對龍門和電機提出了額外的設計要求。使用這些方法的工具設計者需要將成本、性能和可靠性方面的負擔傳遞給客戶（最終用戶）。
由于現(xiàn)有激光源的光斑尺寸缺乏可調(diào)性，因此會迫使工具集成商和制造商在作業(yè)組合的靈活性和工具性能及可靠性之間進行選擇。這種妥協(xié)提高了成本，并降低了生產(chǎn)率。
光纖激光器的突破
nLIGHT開發(fā)出一種新穎的全光纖技術(shù)（Corona），它能直接從饋送光纖快速調(diào)整光纖激光光斑尺寸超過3倍，而不會帶來比自由空間方法更大的任何缺點。此外，Corona光纖激光器能提供可改善不同金屬切割質(zhì)量的光束形狀，包括平頂光束和環(huán)形（甜甜圈）光束。與傳統(tǒng)光纖激光器相比，4kW功率級別的Corona光纖激光器可將低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅板材的切割厚度明顯提高到1英寸，從而能夠開發(fā)出適用于切割較大厚度范圍金屬的通用工具。
圖1：帶六個指標設置的4kW Corona 光纖激光器的光束直徑。底部圖像顯示用CMOS 相機記錄的相應近場空間輪廓（即切割頭下方焦點附近的光束形狀）。光束圖像下給出了BPP 值。
Corona光纖激光器輸出光束可在~100µm與~300µm之間連續(xù)調(diào)諧。為便于工藝優(yōu)化，提供了固定數(shù)字設置（指標值）。圖1顯示了帶六個指標設置的Corona光纖激光器的輸出光束直徑、光束參數(shù)結(jié)果（BPP）值和光束形狀。
如圖1所示，光束圖像中清楚顯示出饋送光纖被劃分為引導激光束的區(qū)域。多種不同的Corona纖維設計有可能適應范圍廣泛的應用。在圖1所示的設計中，饋送光纖包括一個100µm的中心芯，由兩個直徑分別為200µm和300µm的環(huán)形導引區(qū)域包圍，通過改變這三個導引區(qū)域之間的激光功率分配，可調(diào)整光束直徑和光束形狀。Corona關(guān)鍵且前所未有的特點是，這種光束形狀的調(diào)整全部都在光纖內(nèi)完成，不涉及自由空間光學，從而保持了光纖激光器的所有性能、穩(wěn)定性、效率和可靠性優(yōu)勢。在每個參數(shù)設置都可以獲得完整的激光功率。
Corona的另一個優(yōu)點是光束調(diào)諧非常迅速，從最小直徑到最大直徑的過渡時間不足30ms。光纖激光器在參數(shù)變化期間持續(xù)以全功率工作，在改變光束形狀時無需關(guān)斷激光器或使之空白。Corona的快速調(diào)諧使切割過程的每個步驟都能夠利用最佳的光束特性，而不僅僅是在切割不同材料或不同厚度。例如，在熔穿 - 切割或在直切 - 轉(zhuǎn)彎期間，可以使用不同的參數(shù)設置。
金屬切削性能
一般金屬切削市場，包括激光切割，主要為厚低碳鋼板（MS）。與其它激光系統(tǒng)相比，Corona光纖激光器在邊緣質(zhì)量和厚MS切削的最大厚度方面具備獨特的優(yōu)勢。圖2顯示了分別采用帶100µm饋送光纖的標準4kW光纖激光器、以及4kW Corona光纖激光器切割MS的照片。所有測試均采用1.5倍放大的固定光學切割頭，輔助氣體為氧氣。對每種情況給出了最佳的Corona光束形狀，并在圖中給出了切削速度和測得的表面粗糙度。
主要觀察結(jié)果：
◆對于最薄的樣品（0.25英寸），最佳Corona光束直徑為100µm。正如預期的那樣，在這種Corona設置下激光器的光斑尺寸和BPP相似，因此兩種光纖激光器的切割速度和邊緣質(zhì)量接近。
◆對于較厚的樣品，Corona光纖激光器可提供明顯更好的邊緣質(zhì)量，粗糙度降低高達3倍。這些樣品的最佳Corona光束直徑大于100µm。
◆對于標準光纖激光器，可提供一致跌落性能的最大厚度為0.75英寸。Corona光纖激光器可充分擴展到1英寸厚度，具備出色的邊緣質(zhì)量。
◆采用Corona光纖激光器切割的工件粗糙度對厚度的依賴性，比采用標準光纖激光器切割的工件低得多。采用Corona切割1英寸MS（低碳鋼）所測得的粗糙度，甚至低于采用標準光纖激光器切割的0.5英寸的MS（低碳鋼）。高邊緣質(zhì)量降低或消除了對昂貴而耗時的后續(xù)處理步驟的需要。
◆與標準光纖激光器相比，Corona光纖激光器的切割速度相同或稍快（～5%）。
圖2：采用帶100μm 饋送光纖的標準4kW 光纖激光器與4 kW Corona 光纖激光器（a）進行氧氣輔助低碳鋼切割的對比，其中上圖顯示了切割速度，下圖顯示了測得的邊緣粗糙度值；照片顯示邊緣質(zhì)量，光束圖像包含于每張照片的上方或下方（b）。
圖3顯示了分別采用標準光纖激光器和Corona光纖激光器切割的1英寸MS（低碳鋼）的特寫。采用標準光纖激光器切割時，金屬上的熔渣阻礙了工件從骨架上均勻始終一致地跌落；而使用Corona光纖激光器切割的樣品則表現(xiàn)出一致的跌落性能。這種引人矚目的改進對于實現(xiàn)工廠自動化和遠端控制操作是必不可少的，這是降低制造成本驅(qū)動力中的新涌現(xiàn)出的關(guān)鍵趨勢。除了降低粗糙度外，圖3中所顯示的更佳的邊緣平直度和垂直度對于諸如焊接之類的應用也至關(guān)重要。
圖3：1 英寸低碳鋼氧氣輔助切割對比，分別采用標準4kW 光纖激光器（a）和4kW Corona 光纖激光器（b） 對進行激光加工，采用Corona光纖激光器的粗糙度降低3倍，邊緣明顯變直，垂直度大大提高。Corona 光纖激光器可提供一致的跌落性能；而傳統(tǒng)的光纖激光器則不能，其原因是在工件底部邊緣的熔渣和凹陷的邊緣形狀。
值得注意的是，Corona光纖激光器能提供邊緣質(zhì)量和厚度范圍方面的益處，并不以速度損失為代價（圖2），且切削刀具采用標準的固定光學切削頭。這種不會犧牲性能的效果任何其它技術(shù)都無法達到，并且源自獨特的、全光纖Corona設計。
為了證明使用Corona光纖激光器時切割過程的穩(wěn)定性，我們制作了具有精細特征的挑戰(zhàn)性形狀。圖4顯示了一個具有極窄腹板（0.110英寸寬）的1英寸MS（低碳鋼）試樣。即使在如此窄的特征上，邊緣的粗糙度和垂直度也是非常好的，未出現(xiàn)相對側(cè)燒穿的跡象。Corona光纖激光器的可調(diào)光束大小和形狀，可在厚MS（低碳鋼）板上一致地產(chǎn)生這種窄高比特征，以及小孔和精確的角。
圖4：采用4kW Corona 光纖激光器在代表性低碳鋼工件上切割出的窄高比特征；窄腹板部分為0.110 英寸寬、1 英寸厚。
我們還研究了采用4kW Corona光纖激光器以氮氣輔助對低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅進行的切割。在大多數(shù)情況下，最小的參數(shù)設置可提供最好的性能，切割速度和邊緣質(zhì)量類似于標準4kW光纖激光器。這一結(jié)果是預料之中的，因為參數(shù)0可在工件上提供最高功率密度。然而，對于一些較厚材料的氮氣切割，較高的指標設置則為某些應用提供了更高的邊緣質(zhì)量，由于功率密度較低，速度會受到損失。在這些情況下，最佳參數(shù)設置是根據(jù)應用而定的，并且，Corona使工具集成商或最終用戶可根據(jù)應用定制邊緣特性。
可靠性
所有nLIGHT光纖激光器都包括可靠的、從硬件角度提供的針對來自工件的背向反射保護，從而能不間斷地處理高反射材料。Corona保持了這種高背向反射容限，并且Corona光纖激光器已被用于切割和焊接銅和其它反射材料。
在加速壽命測試中，我們對Corona的壽命進行了表征。一臺Corona光纖激光器通過其參數(shù)設置不斷循環(huán)，在每個設置上有100毫秒停歇，并且周期性地測量光束直徑以尋找性能的漂移或退化。超過1340萬次指標變化，對應所有指標設置的光束直徑保持在4%之內(nèi)，沒有系統(tǒng)性的變化或漂移。因此，Corona光纖激光器提供了高性能光纖激光器的長壽命和免維護工作特性。
Corona光纖激光器代表著超越標準光纖激光器及現(xiàn)有可調(diào)諧光束質(zhì)量技術(shù)的一項重大進展。其優(yōu)點包括：
◆創(chuàng)新的全光纖設計，消除了與自由空間光學器件相關(guān)的所有性能及可靠性方面的缺點；
◆Corona光纖激光器不再需要外部光纖-光纖耦合器和開關(guān)、機動光學器件或變焦加工頭；
◆切換非?？欤ǎ?0毫秒），且激光器可以在改變光束形狀的同時保持全功率工作；
◆無需維護或校準，即使在經(jīng)過數(shù)百萬指數(shù)變化之后，仍能保持光纖激光器的長壽命；
◆添加Corona不會增加光纖激光器的功耗、降低效率，或增加尺寸、重量及安裝要求；
◆Corona光纖激光平臺具有廣泛的通用性，適用于許多其它光束尺寸、形狀、發(fā)散及其它激光功率水平。
憑借Corona的可調(diào)光束質(zhì)量，現(xiàn)在可實現(xiàn)通用工具的開發(fā)，以優(yōu)化范圍各種金屬和厚度的切割。生產(chǎn)車間或工廠不再需要被迫承受性能損失、購買多種工具，和（或）使用復雜、昂貴且脆弱的自由空間光學器件。
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