光束傳輸對于激光切割過程的可靠性具有重大意義,瑞士百超專注研發光束傳輸質量。
“光束性能與傳輸是百超激光切割系統的核心要素,”瑞士百超激光研發部負責人Roland Stockli如是說,”從技術角度來看,它是我們必須掌握的技術含量最高、最耗費時間的工作之一,它就是決定機床切割是否穩定的重要因素。”
對于光束傳輸從其定義來看都包含什么,各種理解不一而終。從最廣泛的意義上來講,光束傳輸包括從諧振腔到切割頭的完整光束通道(見圖)。從更加嚴格的意義上講,例如在技術術語中,它一般只是指諧振腔的光束輸出和切割頭的光束輸入。很多激光切割系統中使用的元件都可以從公開的市場上買到。光束性能與傳輸部門激光物理學者Andreas Lüdi稱:“另一方面,完整的光束傳輸概念并不存在。可以說,光束傳輸質量是百超區別于其它競爭對手的一項要素。有了基于大量技術訣竅和能力的光束傳輸技術,百超很明顯地獨樹一幟。”
光束傳輸的任務就是保持激光束高品質由諧振腔傳輸到切割頭,從而保證了切割過程的連續性,確保了切割穩定性和過程可靠性。光束傳輸根據機床的尺寸可以有幾米長,它必須根據具體的要求加以構造,只有這樣才能有效抵消或者補償影響降低光束質量的各種因素。
諧振腔和光束的成形
光束形成重要的是諧振腔中的透鏡以及擴束系統中的兩個遠視鏡。
百超應用飛行光路技術(圖1、圖2、圖3)。激光源是固定的,緊貼機器,切割頭所在的切割橋既輕又靈活。正是由于移動架的重量較輕,可實現高速加速度和高速移動。這確保了快速高效率切割,但對光束傳輸也提出了額外的要求。與激光束的自然屬性相稱,由諧振腔發出的光束呈腰形(圖4)。由于透鏡在移動,產生的光束長度也隨之發生變化,到達工件的光束在沒有抵消措施的情況下將呈現不同的特征(焦距長度和橫截面)。為了彌補這個不足,利用遠視鏡將光束放大(圖5)。這確保了光束橫截面保持基本的連續性,即在事實上保持其不因長度改變而有所變化。使到達切割臺任意點的光束始終是保持一致。
與其重要性相符,光束在光束傳輸的起點正確成形。下一個決定性的階段是使高品質光束傳輸到達切割頭。這個過程在防護罩中完成。

防護罩和光束傳輸通道
擴束和偏振作用之后,光束必須得到充分保護以便在到達切割臺時保持其特征。百超的激光傳輸在帶防護罩的光束通道中完成的。這個裝置非常復雜,它必須滿足質量方面的許多需求: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,不能釋氣。密封,這就意味著它必須不透塵、不透水、不透氣。開發團隊更傾向于防護罩是真空的,因為這樣的話,光束就可以以最小的干擾傳輸。由于在技術上這樣做是行不通的,所以百超利用純凈空氣(即幾乎沒有濕度的空氣)保護光束通道,濕氣和塵垢一樣具有類似的負面作用,可改變光束的橫截面和光束特征,另外一個關鍵參數是二氧化碳含量。為了防止上面所提及的類似雜質進入周圍的空氣,防護罩要保持一定的壓力。BySpeed激光切割機,切割頭以169米/分鐘的速度移動,在空氣動力學中會出現巨大的差異。這時候會出現一定的風險,光束通道中的某些點上會有負壓力而不是所希望的正壓力。在這些點上潛在地存在著污染的危險。所面臨的挑戰是通過利用精確測量的動態光束傳輸、防護罩交換器和靈活的通道避免出現類似的情況。所有這些措施都確保了聚焦及精確的光束到達切割臺,而不是分散的光束。

切割頭和光束聚焦
光束傳輸的終點是切割頭。切割頭的聚焦光學元件可以確保切割工件的激光具有高強度和高度集中。由于適應性光學元件和可調整透鏡的存在,焦點的位置也可以改變,由于材料的密度、特征以及所使用的切割氣不同,需要有不同的焦點位置。切割頭構造的最主要挑戰是開發出耐用度最強重量最輕的切割頭,要能夠經受住切割過程中產生的重壓以及張力。另一方面,切割頭應該便于使用,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,才有可能實現進一步優化,光束傳輸環節越來越被重視,”Roland Stockli贊同地表示。只考慮光束傳輸中的某一點而忽略其它部件是遠遠不夠。因此,百超在整個鏈條上仍然繼續做著深入開發的工作,目標就是為客戶進一步提高過程的可靠性以及進一步提高生產力。任何想把系統推至完美使速度達到極限的人都必須確保所有的核心部件(諸如光束傳輸等)都要略高于標準要求。

注:光束傳輸的定義
從諧振腔到金屬板材的光束通道。其中包括:諧振腔,反射鏡,光學擴束系統,偏振鏡,玻璃管,防護罩,聚焦鏡片以及帶有一體透鏡的切割頭。■

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