高亮度、高功率固體激光源，如光纖激光器，展現(xiàn)了它們在未來金屬切割應(yīng)用中的潛力。IPU前身為丹麥產(chǎn)品發(fā)展學(xué)會，即Institute for Product Development，有一個研發(fā)的新概念采用了單模光纖激光器進行激光切割，已開始在DOEFLAC和ROBOCUT兩個項目中得以應(yīng)用，并與許多其它項目伙伴開展合作。 

       最初的實驗測試表明，這種新的加工方式有潛力超越先進的光纖激光切割和CO2激光切割，比后兩種激光切割技術(shù)的加工速度更快、效果更好，而且更便宜。預(yù)計，兩個項目完成之后，這種切割技術(shù)將日益成熟并達到一定水平，可依照通常的商業(yè)條件用于制造出產(chǎn)品并銷售。 

定制光束形狀 

       這些項目基于一個原則，即：與使用單束圓形激光束的傳統(tǒng)激光切割相比，新的切割工藝采用了復(fù)雜的激光光束形狀。利用大功率單模光纖激光器獨特的聚焦特性，產(chǎn)生復(fù)雜的光束形狀，并使之有可能從整體激光能量中分出一部分，以便創(chuàng)建一個“匙孔”，用于激光焊接或激光切割應(yīng)用中。其余的能量將分配到熔體；在此之前，主光束用來創(chuàng)建一個適當(dāng)?shù)母哒羝麎毫Ψ植荚谌廴诓牧媳砻?。這使得它可以將局部壓力施加在切口流出的熔體上，這遠遠超過了在激光切割中常用的同軸氣體噴射的壓力。結(jié)果是，切口非常狹窄。新工藝極具潛力，在較大的切割速度范圍內(nèi)不會產(chǎn)生毛邊，而且在狹窄的輪廓切割中也能進行高速切削，產(chǎn)生高質(zhì)量的切口（圖1和圖2）。

圖1、幾種切割方式：典型的激光切割、先進的匙孔激光切割，以及采用定制的激光束進行切割。

       而且，通過正確地定制激光光束形狀（添加“蓋”形的光束形狀），即使沒有使用切割輔助氣體，熔融流體也會沿著入射激光束相反的方向流出切口。因此一個單通道遠程切割技術(shù)被開發(fā)出來，這種技術(shù)具有明確的應(yīng)用前景，比先進的遠程激光切割能更有效地從切口處去除熔融物。 

 

光束整形 
       這種激光切割技術(shù)的核心是光束整形,可以通過不同方式實現(xiàn)，例如：設(shè)計一個配有單模光纖激光器的系統(tǒng)。通過光束組合結(jié)構(gòu)——而不是把所有的單模傳輸光束匯入一條大的傳輸光纖中，就能將這些光束傳輸?shù)角懈铑^，正如用于大功率多模光纖激光器配置。

 
圖2、原理圖：定制激光束的光強。

       應(yīng)用一個單模光纖激光源。采用一種先進的光學(xué)系統(tǒng)與一個特別設(shè)計的人工全息圖（也稱為衍射光學(xué)器件），將輸入激光束轉(zhuǎn)換為輻射模式，以便優(yōu)化給定的激光切割工藝（圖3）。由于光束模式是非對稱的（圖2），衍射光學(xué)器件必須根據(jù)實際切割方向轉(zhuǎn)動，如圖3所示。

 
圖3、原理圖：采用定制激光束模式的遠程激光切割系統(tǒng)關(guān)于強激光產(chǎn)生蒸汽壓力的機制，早在幾十年前激光鉆孔和匙孔穿透型激光深熔焊接時就為人所知，局部的蒸汽壓力是穿透性鉆孔的驅(qū)動機理，并且用于產(chǎn)生和保持焊接中的匙孔。匙孔穿透型激光切割有20年的歷史，當(dāng)年一群科學(xué)家在弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研究采用CO2激光器對鈑金做高速切割。然而，用CO2激光器進行匙孔激光切割僅限于非常薄的板材，這是由于匙孔中形成強大的等離子體，這也在高功率CO2激光焊接中出現(xiàn)。 

        高亮度光纖激光器的聚焦性能及其波長，使得這類激光器能夠在厚板上進行匙孔切割，因為光纖激光器比CO2激光器的切割速度快得多。因為可以更有效率地將熔化物從切割前沿的中心線除去，匙孔切割比通常的激光切割更高效；在前者的加工過程中，被熔化的材料會在激光束的前方流下去。這使得熔融層厚度更薄，因而確保從熔融表面能夠有效地傳導(dǎo)熱量，表面的熔體前沿吸收了激光，而且需要能量以熔化更多的材料。然而，在匙孔切割中，激光束周邊的熔融流體會引發(fā)質(zhì)量問題。熔化物從切割側(cè)邊流走，這將使切割質(zhì)量惡化，因為光纖激光器切割速度很快，但當(dāng)切厚度增加時，切割質(zhì)量并不高。 

        在典型的激光切割和先進的匙孔切割中，同軸氣體輔助方式是清除熔融物的唯一動力；切口必須放大，以便減少通過切口處的壓力。這里，激光輻照所得到的壓強更大，并且在整個切口處都經(jīng)受著巨大的壓力。因此，能夠完全根據(jù)光路限制來設(shè)計定制激光束的新方法，它能切割出比采用先進激光切割方式下更狹窄的切口。

圖4、采用定制的激光束形狀進行切割，配有輔助氣體

 
圖5、對比圖：遠程激光切割與采用定制激光束形狀的切割。

迄今為止開展的實驗 

       迄今為止，采用這種新方法開展的實驗顯示出在大范圍變化的切割速率下有明確的質(zhì)量改進，并已證明，幾乎可以得到無毛刺切割的效果。這兩個項目的前景顯而易見（圖4和圖5）。此外，單次遠程激光熔化切割的結(jié)果（來自通快公司）已經(jīng)證明，熔化物的去除只能通過激光輻照。 

       然而通快公司的解決方案是基于一個圓形的激光束，這要求通過散焦來實現(xiàn)上述工作機理。它不是理想的解決方案，因為這種條件下要求熔融物從激光束前方的切口排出去——已經(jīng)公開的結(jié)果清晰地顯示了這點。另一個遠程切割技術(shù)經(jīng)由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer IWS）證明，即一個高度聚焦的圓形單模激光束在材料表面上掃描多次，進行深度雕刻。這種技術(shù)只適用于薄板切割；由于需要多重掃描，掃描的優(yōu)勢或多或少喪失。 

        此項目的關(guān)鍵工作目前集中在實驗設(shè)計中的計算和制造，為測試階段做準(zhǔn)備，并且在丹麥奧爾堡大學(xué)建立實驗設(shè)施，其中包括了一臺3千瓦單模光纖激光器。(end)