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又一個可節省百萬成本的激光焊接方法來了:激光焊接應用中的可調環塑形

發布:2022-04-22 17:32作者:www.yattendonparish.com點擊:766次

快速激光焊接可以通過使用中央激光照明環和輪廓來實現,環和尖端之間的能量比可調節,以優化工藝。本文提出了一種基于衍射的新簡單概念,用于從傳統光纖激光器中獲得這種可調諧圖案。該模塊在中心位置從 100% 能量旋轉到零能量,能夠處理單模和多模激光器,非常緊湊(長度小于 20 毫米),并具有高 LDT 和無源衍射元件。這一概念使得特殊的光纖激光環變得多余,從而簡化了焊接激光頭的設計。
在激光焊接中需要形成環和點
激光焊接是一種廣泛應用于汽車、船舶、電池和其他行業的許多工業過程中的技術。在許多激光焊接應用中,焊接速度正迅速成為工藝的主要障礙。一個例子是在不斷擴大的移動市場中進行焊接,其中激光用于焊接電池觸點,高速焊接提高了生產率并節省了電池產量。另一個例子是汽車行業對快速且具有成本效益的激光焊接的需求不斷增長,因為能源效率要求迫使制造商使用更多的鋁和需要更多的更復雜的材料。機身采用激光焊接。
對更高焊接速度的需求增加了低成本、高功率近紅外光纖激光器的可用性。
這些激光的存在被轉換成電流,實際上不再限制焊接速度。相反,已發現激光焊接的速度受到高速焊接中常見的幾種物理現象的限制,例如飛濺、凸起和焊縫孔隙率增加。
發現這些現象通過使用由一個由一個環包圍的中心組成的特殊照明分布而顯著減弱,該中心與周圍的環之間具有特殊的功率比。焊接工藝的不同參數,如金屬厚度、金屬類型和幾何形狀,需要不同的條件才能實現最佳的快速焊接工藝。因此,許多系統集成商受益于提供受控和可調功率功率比的解決方案。
基于纖維的輪胎和點鑄解決方案:優點和局限性
創建環形和中心點光輪廓的最常見方法是使用特殊的雙核或三核多模激光激光器。中心核心被一個或兩個同心環形核心包圍。每個核心都可以單獨調整激光功率,以使介質中的功率與周圍的混合物相匹配。然后將起始光纖直接映射到工作表面以獲得所需的照明輪廓。
這些光纖激光器的主要優點之一是不需要外部壓縮光學元件 - 整個成型過程由光纖激光器控制。只需將光纖準直器連接到適配器,光束即可使用,具有計算機化的強度分布控制和實時調整,可實現快速、無誤差的焊接。
但是,這種方法存在幾個問題,使得基于光纖的可調諧環路不是最理想的:
首先,這種激光系統使傳統的高功率多模激光激光器復雜化并增加了成本。其次,這種光纖的大數值孔徑意味著需要特殊的準直器,這通常需要比當今光纖激光器中使用的標準焊接光學器件更大的光學器件。最后,中心和混合物之間的聯系通常是有限的。為了獲得點焊的功率,需要增加環內的功率,因為??中心鐵芯只能承受典型下限6-8千瓦的功率。這意味著除非使用定制的光纖纖芯,否則大部分功率會被引導到中心,而只有部分功率會被引導到環,這是一個非常有用的設置,在全激光功率下是不可用的。
本文介紹了基于光纖的環形和點設計的替代方案,該設計可實現完美的功率比調整,并提供相對簡單、廉價且易于理解的光學概念。該方法基于衍射光學,由添加到系統中的外部光學模塊組成。這種方法為已經擁有多千瓦光纖激光器并希望使用新選項升級其焊接系統的激光系統集成商以及新焊接系統的開發人員提供了出色的解決方案。他們需要光纖生產解決方案無法提供的性能。
所提出的衍射方法是在 Photonics Views 的早期出版物中開發的,題為“可調諧功能波束形成方法”,該研究探討了幾種可調諧波束形成概念,包括基板孔徑處的波束形成。中間可調。當前概念是本文中描述的概念的修改版本,針對具有更好濁度特性并與真正的激光焊接公差兼容的應用進行了更好的優化。
衍射可調環形成器
衍射建模解決方案由位于同一光軸上的兩個相同的二元衍射元件(也稱為相位板)組成。每個單元的透明圓形孔徑被相等數量的方位角分段。其中一半是透明區域,另一半具有衍射二元光束的光學功能,臺階高度為π弧度。
由于兩種狀態之間的旋轉中間狀態,一部分能量在中心環中流動,其余在中心環中流動,這是一個由旋轉角度決定的連續可調的比率。中心和外圍的總功率傳輸效率總是從僅在中心的約 100% 到僅在外圍的約 80% 變化。效率的損失延伸到更高的衍射透射率,并且在更寬的角度可以看到二級輪胎。
整個范圍發生在一個旋轉角度,在本例中為 15 度,并且是不連續的(即連續旋轉以相同的方式改變大?。?。中間范圍內的效果隨旋轉角度非線性變化。
可調諧衍射環方法的優點
與市場上現有的基于光纖的解決方案相比,基于衍射的技術具有許多優勢。這使您可以控制總光斑面積和光環之間的功率比,這與基于光纖的解決方案不同,具有有限的定制和額外的好處。
由于其簡單的概念,該模塊可以適應多千瓦激光器中常用的寬光束(直徑 15-22 毫米)。光學器件可以安裝在預制的手動或電動轉盤上以創建光學模塊。這些模塊可以放置在激光準直器后面的光軸上,或者更好的是直接放置在激光頭或掃描系統的入口處。這些配置允許焊接光學器件與傳統的多模光纖激光器兼容,而無需大數值孔徑和更大、更昂貴的光學器件,例如光纖激光環。電動轉盤的整個調整范圍需要幾毫秒,因此可以根據過程的需要調整強度。然而,控制功率比通常只在焊接過程的優化階段很重要。一旦確定了工藝參數,可調環和尖端成型模塊可以用被動 DOE 代替,該 DOE 具有調整后的環與尖端功率比,被認為是特定焊接工藝的最佳選擇,從而提供更緊湊的設計和更便宜的價格。
可變衍射設計的另一個優點是能夠使用單模激光器。與環形光纖激光器不同,環形光纖激光器總是多樣化,因此不會集中在具有可接受數值孔徑的小區域內,衍射模量能夠在保持強度的同時產生小的環形光斑。平均的??烧{整的時間條件始終可用。此功能對于使用單模輸入光束進行鑄造特別有用,因為限制過程速度的因素通常不是單模光纖的功率,而是通過移動光纖的一部分而減少的沖擊、氣穴和其他問題l 激光能量到環形區域周圍的區域。
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