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  • 2022-04-25 02:43
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滨海新PLC培训学校,激光束焊接中光束整形技术的研究进展

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江苏激光联盟陈长军导读:

光束整形在激光材料加工中的应用已经证明了它的优点。 它用于激光束焊接,以优化零件上的能量输入,从而提高质量和成品率。 一种采用多平面光转换( MPLC )光束成形技术的激光头已经开发出来,专门用于钢焊接。 这种激光头的性能为激光电弧混合焊接或铜等材料的焊接新技术的发展铺平了道路。

近年来,多千瓦连续波激光光源的可用性大大增加。光纤或磁盘激光器现在可以在功率超过20kW的情况下进行激光处理。在激光焊接的情况下,它实现了更大的能力、潜在的更深的穿透力和更高的速度。但这种强大的力量也带来了两个新的挑战。首先,焊接质量必须得到保证,其次,向零件输送激光的光学系统,如焊接头,必须能够处理激光。光束整形是迎接挑战的一种方法。通常,对于钢,环形梁形状已证明焊接工艺有所改进。

双芯光纤就是这样一种技术,它通过产生环形来填补这一缺陷。然而,这种技术通常与具有将光束聚焦到加工平面上的作用的折射激光头相结合。这些折射光学系统面临着第二个挑战:当激光器在高功率下使用时,它们会发热,其光学特性会发生变化,并导致焦距偏移或热透镜等不必要的现象。因此,为了解决这两个难题,开发了一种采用多平面光转换光束整形技术的反射式焊接头。

反射式焊接头中MPLC的实现

MPLC是一种获得专利的光束整形技术,可控制光的振幅和相位。它由一系列相位分布组成,类似于高度复杂的透镜,由特定的传播距离隔开。在实践中,它可以以反射和被动的方式实现,即光在由反射相位板和反射镜组成的腔体中来回传播。该技术允许生成任何波束形状和波束组合。

事实上,基于MPLC的焊接头设计用于形成环形梁轮廓,内径为600m,外径为1000m。该技术提供了高质量的光束整形,其强度均匀性等于环平均直径的10%RMS。这一点非常重要,因为环形在焊接过程中有助于包围和加宽锁孔。任何强度的不均匀性都可能引起匙孔的不稳定性。(图1)

图1环形平均直径周围的强度均匀性

此外,使用Primes系统测量了产生光束的景深。相对于最佳焦平面,环形形状在±3 mm范围内保持不变,这与双芯光纤激光器等其他成型方法相比是独特的。这使得系统对过程变化不那么敏感。还对基于MPLC的激光头在高功率下的光学性能进行了评估。在16kW(用于进行这些测试的激光器的最大功率)下,系统传输的测量值为99%。此外,还使用了一个光束表来评估激光头在15分钟内不同功率下的焦点偏移。无论功率如何,在一分钟后测量到最大1 mm的焦距偏移,这与集成在焊接头中的冷却系统冷却光学元件所需的稳定时间相对应。与标准折射激光头相比,这是一个巨大的改进,标准折射激光头会产生厘米量级的焦点偏移。这种高功率下的良好性能归功于MPLC的反射式实现,它允许在光学元件的背面进行均匀高效的冷却。(图2)

图2在8kW时,焦距随时间(秒)的变化(单位:m)

进程和结果

焊接测试是在Cailabs的合作伙伴Maupertuis研究所进行的,基于MPLC的激光头通过其集成的LLK-D连接器连接到Trumpf TruDisk 16002。它安装在一个6轴机械臂上,并与一个保护气体系统相结合。在6 mm厚的304L不锈钢板上进行了全熔透和对接焊接。

激光功率的第一个参数优化表明,7 kW是实现无氧化全穿透的最佳功率(6 kW太低,无法确保全穿透;8 kW产生氧化)。其他固定参数包括焊接速度(1 m/min)和焦点(上表面下方2 mm;图3)

图3焊点位置对焊接过程影响的评估。

然后,在7kW的最佳功率和1m/分钟的焊接速度下评估焦点变化的影响。焦点从表面上方1mm到表面下方5mm,实现了全熔透。这证实了之前在景深上测量的非常好的性能,因为完全穿透是在焦点变化幅度为6 mm的情况下完成的,与景深相对应。

因此,根据NF EN 13919-1标准,使用最佳参数可获得非常高质量的焊道。它的宽度大而规则,这标志着质量好。此外,在相同的功率、焊接速度和焦点位置下,将其与使用经典不定型光束和双芯光纤系统进行的焊接进行了比较。使用双芯光纤,测试了两种配置:第一种是单环形状(内径0.3 mm,外径1.05 mm),环内能量为100%;第二个是环形,内部有一个斑点。

使用MPLC激光头(5mm)获得了最宽的焊道,与传统焊点相比增加了25%,与双芯光纤的环形相比甚至超过了50%。与双芯光纤形成的两种形状相比,焊缝的形状也更规则、更平滑。最后,重要的是要注意飞溅的大幅减少,尤其是当比较基于MPLC的激光头和双芯光纤制成的两种环形时。综上所述,基于MPLC的焊头能够提高焊道质量,同时减少飞溅等缺陷。(图4)

图4使用基于MPLC的激光头与双芯光纤和经典焊点进行焊接试验的比较。

该焊头设计用于特定的激光光源:Trumpf TruDisk 16002。Trumpf TruDisk 16002具有特定的特性(波长:1030 nm,数值孔径:0.10,光束参数产品:8 mm·mrad,输入光纤直径:200 μ m)和特定模式内容。如前所示,基于MPLC的激光头生成具有特定尺寸(平均直径800m,厚度200m)的环形。

研究了非标称条件下激光头的可用性,以及它对加工平面内光束形状的影响。对该行业不同激光源的模态内容进行了数值模拟,并使用Python程序模拟了基于MPLC的激光头的输出。模拟的激光器有Trumpf TruDisk 8001、Coherent-Rofin FL8000和IPG YLS 30000(这些激光器的规格见表1)。它们的光学特性截然不同,输入光纤直径和BPP不同,Coherent-Rofin FL8000的数值孔径更大。

表1研究了激光规格。

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(整理:滨海新PLC培训学校)


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