萬瓦級雷射切割裝備及技術

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展，對雷射切割加工裝備和工藝技術提出了更高的需求，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、更平直的方向發展。當下雷射產業的發展越來越有活力，光纖雷射器的功率技術和與之相適應的光學元器件技術不斷取得突破，勢必推動雷射切割機的裝機功率不斷攀升。

在高功率雷射加工領域耕耘近30年的領創公司，在不斷積累裝備製造和加工工藝經驗的基礎上，成功攻克若干關鍵技術難題，在國內率先推出10kW和12kW「愛可寶」系列雷射切割機，批量投放國內外市場後，引起行業同仁廣泛關注，筆者特在此深度解析該系列萬瓦級雷射裝備所突破的關鍵技術，分享給大家以供參考。

可靠穩定的光源技術

雷射裝備功率要突破萬瓦級，首先需實現可靠穩定的光源技術。在雷射切割領域，目前主流雷射光源的製造商是美國IPG和德國通快，可將12kW的雷射功率耦合進100μm的光纖內，其核心技術是耦合技術、封裝技術、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餘量實現長期穩定的功率輸出；通快碟片雷射器則通過功率閉環控制，其每個模塊只有1000W一種。不管何種光源，其用於切割工藝方面的光束質量BPP值一般不能大於8mm·mrad，電光轉換效率不小於30％。

光束傳導技術

解決光束傳導技術難題對實現萬瓦級雷射裝備也極其重要。由於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雷射傳輸技術的發展，如何提升光學端面拋光技術、提高衍射效率高的光學器件製備能力是未來超高功率雷射發展和應用的挑戰。萬瓦級功率雷射從100μm的光纖芯徑內射出，其功率密度之大可想而知，一般而言，雷射傳導經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、聚焦鏡和下保護鏡等組成，鑑於超高的功率密度，對所有上述路徑上的光學鏡片提出嚴苛的潔淨度和溫升要求，整個光路必須嚴格密閉，不得與外界有介質交換，而且須在潔淨空間內安裝和清潔光學器件，另外各環節冷卻迴路的壓力、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恆定。通常來說，雷射切割必須先有起刀孔，尤其是切割厚板材料時，穿孔質量十分重要，優良的穿孔是保證光束和氣流穩定的基礎，對萬瓦級雷射切割而言，變焦穿孔技術是通過伺服電機控制擴束鏡組與聚焦鏡的相對距離，實現聚焦光斑正負離焦量的變化，切割不鏽鋼、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）。採用伺服控制「雙凸—雙凹—雙凸」ZOOM鏡組，實現分級或無級調焦（圖2），高速動態變焦穿孔，實現割縫斷面無斜度切割。採用光束整形技術、模式自動變換控制技術、能量密度微積分技術，實現大厚度不鏽鋼及高反射材料的「亮面切割」。

圖1 切割厚板光腰變長