據(jù)悉，由于光纖激光器無與倫比的生產(chǎn)率、精度和成本效益，鈑金切割市場被光纖激光器主導(dǎo)。

激光行業(yè)中最緊湊的5kw光纖激光器可以配備nLight的新Corona技術(shù)。

由于“全光纖”設(shè)計，不同的光束輪廓、直徑和功率分布是可能的，并且可以根據(jù)工藝在全功率下進行更改。(圖片來源:nLight / Optoprim)

2-4kW范圍內(nèi)的光纖激光器已經(jīng)成為許多制造車間的主要設(shè)備，與傳統(tǒng)的切割技術(shù)(如CO2激光器和等離子炬)相比，它可以提供更快、更精確的切割薄金屬。然而，許多光纖激光系統(tǒng)是為切割有限范圍的金屬厚度而設(shè)計的。具體來說，小的、聚焦緊密的激光束為薄板提供了最快的切割速度，但對于較厚的板材，這種小光束在邊緣質(zhì)量和最大厚度方面有很大的限制�；蛘�，更大的光束可以改善厚板的邊緣質(zhì)量，因為切口更寬，但切割薄板的速度會大大降低。

大型制造車間可能會購買多種光纖激光工具，其中每種工具都專用于切割特定厚度范圍：用于測光儀的小光束系統(tǒng)和用于較厚板材的大光束系統(tǒng)。如果規(guī)模較小的生產(chǎn)車間僅限于一個生產(chǎn)點，尤其是在工作組合多樣化的情況下，依靠一種工具切割全系列金屬的生產(chǎn)效率會較低。通常會更換切割頭中的聚焦透鏡，以便更好地優(yōu)化給定工作的激光光斑大小。當(dāng)激光器不切割時，每次更換鏡頭都會導(dǎo)致生產(chǎn)力損失，并且有可能污染鏡頭和切割頭，這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性故障、重大維修成本和停機時間。

自動調(diào)整激光光斑大小的能力將極大地擴展光纖激光器的適用性、生產(chǎn)率和加工窗口。大多數(shù)現(xiàn)有方法需要機動自由空間光學(xué)元件。例子包括變焦切割頭、光纖到光纖或自由空間到光纖耦合器（可改變光纖的發(fā)射條件），或光纖到光纖開關(guān)（具有兩到四個耦合到獨立工藝光纖的輸出）。這種自由空間光學(xué)方法需要大量成本和復(fù)雜性。大型制造車間可能會購買多種光纖激光工具，其中每種工具都專用于切割特定厚度范圍：用于光規(guī)的小光束系統(tǒng)和用于較厚板材的大光束系統(tǒng)。

如果規(guī)模較小的生產(chǎn)車間僅限于一個生產(chǎn)點，尤其是在工作組合多樣化的情況下，依靠一種工具切割全系列金屬的生產(chǎn)效率會較低。這些商店通常會更換切割頭中的聚焦透鏡，以便更好地優(yōu)化給定工作的激光光斑大小。當(dāng)激光不切割時，每次更換透鏡都會導(dǎo)致生產(chǎn)率損失，并且有可能污染透鏡和切割頭，這可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，并可能降低刀具性能和可靠性。它們對錯位、污染和環(huán)境條件(溫度、振動)很敏感，引入功率依賴(熱透鏡效應(yīng))和光學(xué)損耗，以及/或切換速度慢。變焦切割頭包含電機化鏡頭，比標(biāo)準(zhǔn)切割頭更大、更重，導(dǎo)致加速度降低，并對機架和電機提出了額外的設(shè)計要求。采用這些方法的工具設(shè)計師需要將成本、性能和可靠性負擔(dān)轉(zhuǎn)嫁給他們的客戶（最終用戶）。

現(xiàn)有激光光源的光斑尺寸缺乏可調(diào)性，因此迫使工具集成商和制造車間在工作組合的靈活性、工具性能和可靠性之間進行選擇。這種妥協(xié)抬高了成本，并將生產(chǎn)率拋在了一邊。

光纖激光器的突破

nLight開發(fā)了一種新穎的全光纖技術(shù)“Corona”，可以直接從饋電光纖中快速調(diào)整光纖激光光斑大小，范圍超過3倍，沒有任何自由空間方法的缺點。此外，Corona光纖激光器提供的光束形狀顯示出了對各種金屬的切割質(zhì)量的提高，包括平頂和環(huán)形光束。與傳統(tǒng)光纖激光器相比，功率為4 kW的Corona光纖激光器在低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅的薄板金屬切割方面，性能得到了極大改善，適用于厚度達25 mm的低碳鋼，開發(fā)了“universal”工具，用于優(yōu)化切割各種金屬厚度。

Corona光纖激光器輸出光束可在~100和~300μm之間連續(xù)調(diào)諧。為便于工藝優(yōu)化，提供了固定數(shù)量的設(shè)置（“指數(shù)”值）。例如，圖1顯示了具有六個折射率設(shè)置的Corona光纖激光器的輸出光束直徑、BPP值和光束形狀。 

圖1具有六個折射率設(shè)置的4kWCorona光纖激光器的光束直徑。底部圖像顯示了用CMOS相機記錄的相應(yīng)近場空間輪廓（即切割頭下方焦點附近的光束形狀）。光束參數(shù)乘積值在光束圖像下面給出。

如圖1所示的光束圖像所示，饋電光纖分為引導(dǎo)激光束的區(qū)域。許多不同的Corona光纖設(shè)計可以滿足廣泛的應(yīng)用。在圖1所示的設(shè)計中，饋電光纖由一個100μm的中心纖芯組成，該纖芯由兩個直徑分別為200μm和300μm的環(huán)形引導(dǎo)區(qū)包圍。通過改變這三個引導(dǎo)區(qū)之間的激光功率分配，可以調(diào)整光束直徑和光束形狀。Corona的關(guān)鍵和前所未有的特點是，光束形狀的調(diào)諧完全在光纖內(nèi)完成，沒有自由空間光學(xué)元件，從而保持光纖激光器的所有性能、穩(wěn)定性、效率和可靠性優(yōu)勢。在每個指標(biāo)設(shè)置下都有完整的激光功率。

Corona的另一個優(yōu)點是光束調(diào)諧非常迅速，從最小直徑到最大直徑的過渡時間小于30 ms。在折射率變化期間，光纖激光器繼續(xù)以全功率運行，無需在改變光束形狀時關(guān)閉（或“空白”）激光器。Coron的快速調(diào)諧使切割過程的每一步都能使用最佳光束特性，而不僅僅是切割不同的材料或厚度。例如，在穿孔順序與切割或直線切割與轉(zhuǎn)彎期間，可以使用不同的指標(biāo)設(shè)置。

如圖1所示的光束圖像所示，饋電光纖分為引導(dǎo)激光束的區(qū)域。設(shè)計中，饋電光纖由一個100μm的中心纖芯組成，該纖芯由兩個直徑分別為200μm和300μm的環(huán)形引導(dǎo)區(qū)包圍。通過改變這三個引導(dǎo)區(qū)之間的激光功率分配，可以調(diào)整光束直徑和光束形狀。Corona的關(guān)鍵和前所未有的特點是，光束形狀的調(diào)諧完全在光纖內(nèi)完成，沒有自由空間光學(xué)元件，從而保持光纖激光器的所有性能、穩(wěn)定性、效率和可靠性優(yōu)勢。在每個指標(biāo)設(shè)置下都有完整的激光功率。

Corona的另一個優(yōu)點是光束調(diào)諧非常迅速，從最小直徑到最大直徑的過渡時間小于30 ms。在折射率變化期間，光纖激光器繼續(xù)以全功率運行，無需在改變光束形狀時關(guān)閉（或“空白”）激光器。Corona的快速調(diào)諧使切割過程的每一步都能使用最佳光束特性，而不僅僅是切割不同的材料或厚度。例如，在穿孔順序與切割或直線切割與轉(zhuǎn)彎期間，可以使用不同的指標(biāo)設(shè)置。

Corona金屬切削性能

包括激光切割在內(nèi)的一般金屬切割市場由厚的低碳鋼（MS）板主導(dǎo)。與其他激光系統(tǒng)相比，Corona光纖激光器在厚MS切割的邊緣質(zhì)量和最大厚度方面具有獨特的優(yōu)勢。圖2顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)4千瓦光纖激光器和100μm饋電光纖以及4千瓦Corona切割MS的照片。所有試驗均使用1.5倍放大的固定光學(xué)切割頭，輔助氣體為氧氣。圖中給出了每種情況下的最佳Corona束形狀，以及切割速度和測量的表面粗糙度。

圖2使用標(biāo)準(zhǔn)4kW光纖激光器、100μm饋電光纖和4kW Corona光纖激光器對低碳鋼進行氧輔助切割的比較。左圖顯示切割速度，右圖顯示測量的邊緣粗糙度值。顯示邊緣質(zhì)量的圖片在圖片的上方，光束圖像包含在每張圖片的旁邊。

主要觀察結(jié)果如下：

對于最薄的樣品（6.6 mm），最佳Corona束直徑為100μm。兩臺光纖激光器的切割速度和邊緣質(zhì)量與預(yù)期相似，因為在此設(shè)置下，激光器的光斑尺寸和BPP相似。

對于較厚的樣品，Corona光纖激光器提供了顯著更好的邊緣質(zhì)量，粗糙度降低了3倍。這些樣品的最佳光束直徑大于100μm。

對于標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器，提供一致跌落性能的最大厚度為19 mm。Corona光纖激光器的范圍大大擴展至25.4 mm厚，邊緣質(zhì)量突出。

與使用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器切割的零件相比，使用Corona光纖激光器切割的零件的粗糙度對厚度的依賴性要低得多。用Corona切割的25.4mm MS的測量粗糙度甚至小于用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器切割的12.4mm MS的粗糙度。這種高邊緣質(zhì)量減少或消除了對昂貴且耗時的后處理步驟的需求。

Corona光纖激光器的切割速度與標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器相同或略快（約5%）。

顯示了用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器和Corona切割25.4mm MS的特寫照片。用標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器切割的金屬上的熔渣可防止零件持續(xù)掉落，而用Corona切割的樣品則表現(xiàn)出持續(xù)的跌落性能。這種顯著的改進對于實現(xiàn)工廠自動化和“關(guān)閉”操作至關(guān)重要，這是降低制造成本的關(guān)鍵新興趨勢。除了減少粗糙度外，圖3中所示的更好的邊緣直線度和垂直度對于焊接等應(yīng)用是至關(guān)重要的。

使用標(biāo)準(zhǔn)4kW光纖激光器（頂部）和4kW Corona光纖激光器（下方）對25.4mm低碳鋼進行氧氣輔助切割。Corona提供的顯著更好的邊緣質(zhì)量是顯而易見的。具體來說，使用Corona，粗糙度降低了3倍，邊緣明顯更直，垂直度大大提高。Corona提供了一致的跌落性能，而傳統(tǒng)光纖激光器則沒有，因為零件底部邊緣有熔渣，邊緣呈凹形。

需要注意的是，Corona光纖激光器提供的邊緣質(zhì)量和厚度范圍優(yōu)勢不會導(dǎo)致速度損失（圖2），切割工具采用標(biāo)準(zhǔn)的固定光學(xué)切割頭。這種“不妥協(xié)”的性能是任何其他技術(shù)都無法實現(xiàn)的，源自獨特的，全光纖設(shè)計的Corona。

為了證明使用Corona光纖激光器切割過程的穩(wěn)定性，制作了具有小特征的具有挑戰(zhàn)性的形狀。圖4顯示了一個25.4mm MS零件，其腹板非常窄（2.8mm寬）。即使在這個狹窄的特征上，邊緣粗糙度和垂直度也非常好，沒有證據(jù)表明對面有燒穿。Corona光纖激光器的可調(diào)諧光束大小和形狀能夠在厚的MS板上連續(xù)產(chǎn)生窄的、高縱橫比的特征，以及小孔和精確的拐角。

圖3使用4 kWCorona光纖激光器從低碳鋼板上切割的代表性零件中的窄高寬比特征。窄腹板截面寬2.8 mm，厚25.4 mm。

我們還探索了使用4千瓦Corona光纖激光器對低碳鋼、不銹鋼、鋁和銅進行氮氣輔助切割。在大多數(shù)情況下，最小的指標(biāo)設(shè)置可提供最佳性能，切割速度和邊緣質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)4千瓦光纖激光器相似。這個結(jié)果是預(yù)期的，因為指數(shù)0提供了工件上的最高功率密度。然而，對于某些較厚材料的氮切割，較高的指數(shù)設(shè)置為某些應(yīng)用提供了更好的邊緣質(zhì)量，由于功率密度較低，速度會受到影響。在這些情況下，最佳指標(biāo)設(shè)置是特定于應(yīng)用的，Corona允許工具集成商或最終用戶根據(jù)應(yīng)用定制邊緣特性。

業(yè)界領(lǐng)先的可靠性

所有nLight光纖激光器都包括基于硬件的堅固保護裝置，以防工件反射，從而實現(xiàn)高反射材料的不間斷加工。該設(shè)備保留了這種高背反射耐受性，這些光纖激光器已用于切割和焊接銅和其他反射材料。

在加速壽命測試中對Corona壽命進行了表征。一個試樣在其指標(biāo)設(shè)置中循環(huán)，每次設(shè)置的停留時間為100 ms，并定期測量光束直徑，以尋找性能的漂移或退化。超過1340萬個指數(shù)變化，所有指數(shù)設(shè)置的光束直徑保持在4%以內(nèi)，沒有系統(tǒng)性變化或漂移。因此，Corona光纖激光器具有高性能光纖激光器的長壽命和免維護運行特性。

nLight光纖激光器設(shè)計用于快速現(xiàn)場服務(wù)，即使是在工廠環(huán)境中。此外，工具操作員可以接受診斷和維修激光的培訓(xùn)，確保最大的工具正常運行時間。本文介紹的光纖激光器保留了這些可用性優(yōu)勢，使基于Corona的工具能夠進一步區(qū)分。

結(jié)論

Corona光纖激光器代表著相對于標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器和之前提供可調(diào)諧光束質(zhì)量的技術(shù)的重大進步。主要優(yōu)勢包括：

創(chuàng)新的全光纖設(shè)計消除了與自由空間光學(xué)相關(guān)的所有性能和可靠性缺陷。

它們不需要外部光纖到光纖耦合器和開關(guān)、電動光學(xué)元件或變焦處理頭。

切換速度非常快（小于30毫秒），激光器可以在改變光束形狀的同時保持滿功率運行。

無需維護或校準(zhǔn)，即使在數(shù)百萬次折射率變化后，仍能保持光纖激光器的長壽命。

它們的添加不會增加光纖激光器的功耗、降低效率或增加尺寸、重量或安裝要求。

所述光纖激光器平臺具有廣泛的通用性。它適用于許多其他光束尺寸、形狀和發(fā)散度，以及其他激光功率水平。

它們的光束質(zhì)量可調(diào)，現(xiàn)在可以開發(fā)“通用”工具，用于優(yōu)化切割各種金屬和厚度。車間或工廠不再被迫選擇性能受損、采購多種工具和/或使用復(fù)雜、昂貴且脆弱的自由空間光學(xué)技術(shù)。

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