萬瓦級雷射切割機光路系統技術揭秘

2020-12-10 歐銳雷射

近幾年來,萬瓦雷射切割機熱度持續高漲,隨著我國高鐵、船舶、石油化工及航空航天等領域的高速發展以及雷射切割技術的不斷突破,高功率、大幅面、高速切割、超厚板切割、亮面切割、切口垂直度高等要求逐漸變成了萬瓦雷射切割機的發展方向。

萬瓦雷射切割機

萬瓦雷射切割機關鍵在於「萬瓦」字眼,其光路系統主要由萬瓦雷射器、傳輸光纖、雷射頭三部分構成。要想使萬瓦雷射切割機具備穩定的切割效果,首先必須要具備穩定、強悍的雷射光源,這種光源來自於雷射器。

01穩定

萬瓦雷射切割機的雷射器都屬於連續雷射器種類,而連續雷射器又分為單模(塊)雷射器和多模(塊)雷射器,以國內某知名的雷射器生產廠商為例,其單模連續雷射器功率可達到6000W,是目前國內單模連續雷射器可達到的輸出功率最高水平。當雷射器內部只有一個泵浦模塊時,就稱之為單模雷射器,也就是說6000W單模連續雷射器內部只含有一個泵浦模塊。

現在超大功率連續雷射器尤其是萬瓦雷射切割機,其配備的國內雷射器都是多模連續雷射器,一般來說,高功率多模連續雷射器都是通過合束器將低功率單模連續雷射器(也就是單個泵浦模塊)光源耦合而成。例如,12000W萬瓦雷射切割機的多模連續雷射器就可以使用兩個6000W泵浦模塊耦合而成。一個多模塊連續雷射器使用的單個泵浦模塊越少可靠性越高,模塊越多線路越複雜,損壞率越高。

相對國外高功率雷射器來說,我國萬瓦雷射器還是以多模連續為主,而國外優秀的高功率雷射器單模輸出已實現最大20 kW,多模輸出最大可達 500 kW的技術水平,我國高功率雷射器生產技術水平有待提高。

02強悍

接下來,我們再來說一下萬瓦雷射器發出的雷射束為什麼可以切割超厚板材。

我們先來說一個知識點,單模雷射器光纖芯徑細,光斑細,聚集能量高,且單模雷射器的芯徑一般都是50μm、100μm為標準,而萬瓦雷射器則是將超高功率的雷射束通過100μm的光纖芯徑內輸出,其能量功率密度之大可想而知。

不同材質的切割效果與雷射器功率的關係

亮面切割的特點:切面光滑,切面錐度小,切割速度快,適用於複雜圖形切割,不燒角,有極限功率存在(當雷射器功率未達到極限功率時,功率越高切割效果(切割速度)越好,但是一旦超過極限切割功率,再提高雷射器功率已經沒意義了)。

一般來說,單模塊連續雷射器光束質量比多模塊連續雷射器好,單模連續雷射器在切割中薄板材上的性能得天獨厚,但是厚板材切割能力不濟;相反的,光束質量差的雷射器切割厚板材性能要優於光束質量好的雷射器。所以,為了彌補單模雷射器切割厚板材性能的不足,採用技術革新——平頂環形光輸出,削弱了焦點能量聚集,加強光環能量。這樣通過單模連續雷射器耦合之後的萬瓦雷射切割機在超厚板切割上具有了更好的切割效果和切割速度。

平頂光斑分布形態
將雷射足跡從圓形改變為正方形或矩形

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以上圖片來源網絡。

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