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軌道交通新聞

詳解萬瓦級激光切割裝備及技術(shù)

星之球科技 來源:榮格2018-02-07 我要評論(0 )   

近年來,我國高鐵、核電、船舶、石油化工及航天航空等領域的高速發(fā)展,對激光切割加工裝備和工藝技術(shù)提出了更高的需求,總的趨勢是向功率更高、速度更快、幅面更大、切...

近年來,我國高鐵、核電、船舶、石油化工及航天航空等領域的高速發(fā)展,對激光切割加工裝備和工藝技術(shù)提出了更高的需求,總的趨勢是向功率更高、速度更快、幅面更大、切割更厚、斷面更亮、更平直的方向發(fā)展。當下激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越有活力,光纖激光器的功率技術(shù)和與之相適應的光學元器件技術(shù)不斷取得突破,勢必推動激光切割機的裝機功率不斷攀升。
 
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圖1 切割厚板光腰變長
 
在高功率激光加工領域耕耘近30年的領創(chuàng)公司,在不斷積累裝備制造和加工工藝經(jīng)驗的基礎上,成功攻克若干關(guān)鍵技術(shù)難題,在國內(nèi)率先推出10kW和12kW“愛可寶”系列激光切割機,批量投放國內(nèi)外市場后,引起行業(yè)同仁廣泛關(guān)注,筆者特在此深度解析該系列萬瓦級激光裝備所突破的關(guān)鍵技術(shù),分享給大家以供參考。
 
可靠穩(wěn)定的光源技術(shù)
 
激光裝備功率要突破萬瓦級,首先需實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的光源技術(shù)。在激光切割領域,目前主流激光光源的制造商是美國IPG和德國通快,可將12kW的激光功率耦合進100μm的光纖內(nèi),其核心技術(shù)是耦合技術(shù)、封裝技術(shù)、熱應力管理、散熱管理、光譜控制及光斑控制,IPG光源模塊目前有500W、700W、1000W和1500W,近期將推出2000瓦/模塊,通過增加單一模塊的冗余量實現(xiàn)長期穩(wěn)定的功率輸出;通快碟片激光器則通過功率閉環(huán)控制,其每個模塊只有1000W一種。無論何種光源,其用于切割工藝方面的光束質(zhì)量BPP值一般不能大于8mm•mrad,電光轉(zhuǎn)換效率不低于30%。
 
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圖2 無級變焦原理
 
光束傳導技術(shù)
 
解決光束傳導技術(shù)難題對實現(xiàn)萬瓦級激光裝備也極為重要。由于受到光學加工能力限制,很難加工出整形效果好、衍射極限高的光學元器件,一定程度上制約了大功率激光傳輸技術(shù)的發(fā)展,如何提升光學端面拋光技術(shù)、提高衍射效率高的光學器件制備能力將成為未來超高功率激光發(fā)展和應用的挑戰(zhàn)。萬瓦級功率激光從100μm的光纖芯徑內(nèi)射出,其功率密度之大可想而知,一般而言,激光傳導經(jīng)過的路徑由光纖端面鏡、QBH或QD接口、準直擴束鏡組、變焦系統(tǒng)、聚焦鏡和下保護鏡等組成,鑒于超高的功率密度,對所有上述路徑上的光學鏡片提出嚴苛的潔凈度和溫升要求,整個光路必須嚴格密閉,不得與外界有介質(zhì)交換,而且須在潔凈空間內(nèi)安裝和清潔光學器件,另外各環(huán)節(jié)冷卻回路的壓力、流量、水流進出順序及水溫同樣重要,確保切割加工過程中溫度保持相對恒定。
 
通常來說,激光切割必須先有起刀孔,尤其是切割厚板材料時,穿孔質(zhì)量十分重要,優(yōu)良的穿孔是保證光束和氣流穩(wěn)定的基礎,對萬瓦級激光切割而言,變焦穿孔技術(shù)是通過伺服電機控制擴束鏡組與聚焦鏡的相對距離,實現(xiàn)聚焦光斑正負離焦量的變化,切割不銹鋼、鋁及鋁合金、黃銅及紫銅需要負離焦,厚度越大,負離焦越深(圖1)。采用伺服控制“雙凸—雙凹—雙凸”ZOOM鏡組,實現(xiàn)分級或無級調(diào)焦(圖2),高速動態(tài)變焦穿孔,實現(xiàn)割縫斷面無斜度切割。采用光束整形技術(shù)、模式自動變換控制技術(shù)、能量密度微積分技術(shù),實現(xiàn)大厚度不銹鋼及高反射材料的“亮面切割”。
 
高動態(tài)設計與伺服驅(qū)動
 
高動態(tài)機床的設計和最新控制軟件的開發(fā)與應用。研制高剛性、高強度、輕質(zhì)移動功能部件,經(jīng)有限元FEM算法,采用三角形桁架穩(wěn)定結(jié)構(gòu),超高壓拉制航空用鋁合金材料,高速移動橫梁的靜態(tài)和動態(tài)的應力、應變有大幅提升,輔以高響應、高精度一體化雙邊同步伺服驅(qū)動配置(圖3),整體傳動鏈的動態(tài)加速度高達3g。
 
 
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圖3 一體化雙邊同步
 
智能切割控制系統(tǒng)(ICS)
 
智能切割控制系統(tǒng)(ICS)可對切割狀態(tài)監(jiān)視器反饋的數(shù)據(jù)進行實時分析,并依此適時調(diào)整切割工藝參數(shù),控制切割輔助氣體組分,以及改變焦點位置,保證加工質(zhì)量,提升加工效率。當出現(xiàn)切割失敗時能及時終止加工,減少甚至杜絕不良品的產(chǎn)生。
 
◆智能化焦點搜索功能
 
由于材質(zhì)及尺寸等因素的誤差使得光學鏡片(包括光源窗口鏡、準直擴束鏡、反射鏡和聚焦鏡等)在加工過程中存在微小的差異,這些誤差會引起相同規(guī)格的不同鏡片焦點位置有一定細微差別,同時在激光切割機光導系統(tǒng)安裝時,各種調(diào)整環(huán)節(jié)和光路氣體的種類和潔凈度也會導致焦點的漂移,而使用智能切割控制系統(tǒng)可以自動化的快速搜索及確定焦點位置,比以往手動調(diào)整方式在效率和精度兩方面都有極大的提高。準確的焦點位置,是實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率切割的關(guān)鍵要素之一。
 
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圖4 利用傳感器技術(shù)在線檢測切割過程質(zhì)量
 
◆高速穿孔功能
 
智能切割控制系統(tǒng)具備高速穿孔功能,可節(jié)省能量,提高穿孔效率。穿孔是激光切割進行前必須準備的工作。對于傳統(tǒng)的定時穿孔工藝,在效率和安全性上有一定矛盾,要保證穿孔快速且可靠地完成,通常會在穿孔時間上留有一定余量,但為了防止穿孔過程中熔池發(fā)生爆孔進而污染鏡片,又會限制穿孔功率,從而影響穿孔效率。而智能切割控制系統(tǒng),由于可以在線監(jiān)測并控制穿孔狀態(tài),在發(fā)生熔池爆孔前可以提前預測并控制各種工藝參數(shù),最終可使激光器在滿功率狀態(tài)下高速度、高質(zhì)量地完成穿孔,并且能夠自動判斷穿孔過程的結(jié)束,穿孔結(jié)束后立即執(zhí)行后續(xù)切割,可大大縮短加工時間,保證加工質(zhì)量,同時也可極大地減少由于多余的穿孔能量而對床身產(chǎn)生燒蝕和熱變形等影響。
 
◆切割狀態(tài)監(jiān)測功能
 
智能切割控制系統(tǒng)具備切割狀態(tài)監(jiān)測功能(圖4),能夠杜絕不良品的產(chǎn)生。在切割較厚金屬材料時,容易發(fā)生燒損或等離子云等不良切割現(xiàn)象,該功能可以通過檢測實際切口金屬輻射光、焦點亮度、等離子體的聚集情況等信息進行實時采樣分析,在即將產(chǎn)生不良切割或等離子云之前,自動調(diào)整切割工藝參數(shù),實現(xiàn)自動減速然后再加速,或自動后退再執(zhí)行程序,從而避免材料損失;在發(fā)生切割不良甚至失敗前,能夠提前終止加工,并可以生成大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)為工藝參數(shù)改進提供依據(jù)。
 
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圖5 不銹鋼切割樣件
 
切割區(qū)域防熱源滲透技術(shù)
 
切割過程中,萬瓦級功率激光經(jīng)聚焦其能量密度可以達50kW/mm2,除作用在被加工板材上以外,大量的能量穿過割縫透射到機床的床體上,以熱量的形式被諸如床體機架、支撐劍柵、廢料收集漏斗、廢料小車等吸收,必將導致上述零部件的燒蝕、變形,甚至引起床體結(jié)構(gòu)件的精度變化,因此隔熱防燒措施尤顯突出。提高切割板材支撐箱體的強度和剛性,增加劍柵寬度和厚度以及采用耐切割材質(zhì)如紫銅等,增加床體隔熱板厚度并開設吸收熱應力和熱變形的槽縫,隔熱板選用一定厚度的銅材或石墨材料等??傊f瓦級光源制備技術(shù)的成功推出,對熱吸收、熱傳導、熱穿透技術(shù)的研究不可忽視。
 
超高速、穩(wěn)態(tài)氣流噴嘴技術(shù)
 
影響激光切割質(zhì)量的因素很多。在諸多因素中,噴嘴的結(jié)構(gòu)形式、輔助氣體的種類、壓力、流量對于切割質(zhì)量具有極其重要的影響,尤其是萬瓦級激光切割工藝對噴嘴結(jié)構(gòu)及相關(guān)參量提出更高的要求。目前切割噴嘴主要有單孔式和復合式兩種,出光孔和噴氣孔以圓柱形和錐形為主,加工簡單,制作成本低,但此種結(jié)構(gòu)空氣動力學性能較差,氣體動能不佳,氣體損耗偏大,基本滿足6kW以內(nèi)功率的切割加工。當應用萬瓦級激光切割50mm厚不銹鋼時,測試結(jié)果證明拉法爾噴嘴是高壓厚板快速切割工藝最佳的結(jié)構(gòu)形式,其超高速、高壓穩(wěn)態(tài)氣流,作用在切縫入口和切口內(nèi)部,形成穩(wěn)定和高質(zhì)量的切割。拉法爾噴嘴結(jié)構(gòu)復雜,加工困難,制作成本高,而噴嘴屬于消耗件,我們研制了一種既經(jīng)濟又無限逼近拉法爾結(jié)構(gòu)的噴嘴,經(jīng)批量切割驗證,滿足用戶需求。根據(jù)切割厚度和材質(zhì)的不同,選擇不同的噴嘴孔徑,萬瓦級激光裝備切割50mm厚不銹鋼(圖5),采用孔徑為5~7mm的自制噴嘴,穩(wěn)定、高質(zhì)量切割速度超過0.1m/min。

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激光切割激光技術(shù)
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