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液体喷射技术助力千瓦级光纤激光加工行业发展 Liquid Jets Speed Multikilowatt Fiber Laser Material Machining

液体喷射引导光纤激光加工技术的进步使得工业千万级光纤激光材料可靠高效的全天候加工成为可能。

 

图1. 通过Avonisys液体喷射激光系统加工的24毫米厚铝方块

 

作者:JENS GAEBELEIN和JEROEN  瑞士Avonisys公司联合创始人

 

液体喷射引导激光技术发展至今已有虽30多年的历史,但新技术的进步已将其应用范围扩展到全天无间断加工的领域。采用高性能光纤激光器实现了将数千瓦的功率的激光有效引导至微小的水刀中(图1)。此外,这些系统的操作和维护已大大简化。

1986年,Aesculap-Werke(德国图特林根)发明了第一套通过在液柱内部施加内反射将激光束引导至工件的系统[1]。1991年,LASAG(瑞士图恩—现为Coherent-Rofin公司)对其进行了改进[2]。通过采用相同的原理,B. Richerzhagen于1994年进行了进一步改进,然后由Synova公司(瑞士洛桑)于1997年商业化,将其改进为现如今的技术[3]。

 

水刀引导激光所面临的挑战

2013年夏天,Avonisys(瑞士楚格)公司创始人兼工程师面临一项加工挑战,在凹模表面上加工深达数微米的深槽——这是一项复杂的五轴CNC的加工,它需要不间断对单个工件进行24小时激光加工。从理论上讲,这项任务可以通过市场上已有多年的液体喷射引导激光技术来完成。不幸的是,他很快发现该项目远非轻而易举,要成功完成如此复杂的加工任务必须克服重重困难。

这一挑战反倒促成了Avonisys公司的成立,这也成为了该技术广泛快速发展的起点,在此阶段进行了许多基础实验并对现有理论提出了质疑,从而形成了全新的液体喷射激光系统。

 

Avonisys公司的发展

该技术的第一个问题就是找到一种能够以保持凹面工件表面不积水的解决方案。对于依靠内部反射引导激光的技术而言,不难理解,保持适当的水-空气界面至关重要。现有技术是采用辅助气体通过一个共同的出口孔直接包封在水刀周围,但这并不合适。从工件上除去水所需的压力使喷水嘴汽化了,此外较低的气压也无法阻止表面的“淹没”。

因此,喷气技术的发展使其打破了现有的技术局面[4]。在喷气过程中,通过控制喷水周围的同轴空气流,实现在不干扰喷水的情况下到达工件表面(图2)。

图2. Avonisys喷气技术的工作原理

 

高品质液体喷射激光加工的一个重要方面是稳定的高激光能量传输,并且不会损坏喷水嘴。典型的水刀激光系统是采用高数值孔径(NA)光学器件,无论喷嘴直径和激光类型如何,都可以将激光聚焦在喷嘴入口平面内。

然而这似乎并不是最好的方法,为了提高激光能量的通过量和喷嘴的寿命,Avonisys开展了一系列基础实验,获得了专用的激光头和几何耦合方法,以实现高精度及可重复的功率激光束耦合 [5]。实验得出以下数学关系:

CP =(0.5×CF×DN)/(tan(θ/ 2))

式中,CP表示激光焦点的耦合点(其偏移量为喷嘴入口平面以下),CF为耦合因子,表示激发光束直径(1 / e2,98%,100%),DN为喷嘴直径,θ为基于激光束参数积(BPP)和光束传输光学元件几何形状的激光聚焦锥角。本质上,该方程式描述了在不引入激光能量的情况下,圆锥形且高于材料破坏预置的聚焦激光置于喷嘴中的深度(图3)。

 

图3. 通过减少能量冲击以改善激光的耦合

 

红外激光

当今的水刀激光系统通常使用绿光纳秒YAG激光,主要是出于该波长在水中吸收率低的考虑。但是,Avonisys的工程师发现,高数值孔径光学器件的输出耦合损耗起着比水吸收的特性“相信和鼓吹”效应更为重要的作用。我们开发了一种能够耦合大量激光能量并完成厚板切割的激光耦合方法,这比传统观念中因有效吸收率限制了能量传输的而采用绿光激光的方法更为有效。

由于现代红外光纤激光器具有出色的激光束质量和较低的维护特性,Avonisys希望“迫使”尽可能多的应用程序适合此类激光器,其目的在于为了使系统设置简单且坚固耐用,以适合全天候不间断加工工业的生产。如今,该公司可以使用曾经被认为不可能的红外光纤激光器来切割厚板。

SPI Lasers(英国南安普敦)的red POWER QUBE脉冲连续波(pulse-CW)光纤激光器与Avonisys液体喷射工艺具有较高的匹配度[6]。与类似的准CW光纤激光器相比,使用脉冲CW光纤激光器带来了特定的优势液体喷射工艺的优势。由于可以将连续波输出调高至1µs脉冲,因此可以在硬质材料(例如因科镍合金和碳化钨)上钻出更深的微孔,并使用小至30µm的喷水嘴对铝和硅进行更深的切割(图4)。

 

图4. 水刀激光切割应用实例:(a)Inconel机翼中直径0.3 mm最大深度6 mm的倾斜孔,(b)碳化钨刀具直径0.3 mm 深度2 mm的斜孔深度的,(c)24 mm厚铝、12mm厚黑色陶瓷和7mm厚硅。

 

SPI现场服务经理Mark Southwell指出:“使用Avonisys工艺安装我们的激光器非常容易。 在首次连接激光器后几分钟,我们已经开始了激光切割。”同时,Avonisys及其客户在欧洲和亚洲不同客户安装了1.5、2和3 kW等不同的redPOWER QUBE光纤激光器。

 

射流相干性VS射流稳定性

连贯的射流是水射流引导激光器的先决条件。 Cadavid和Wüstenberg在2000年代初期对提高小型水刀(30~80 µm)的连贯性进行了研究[7-9]。作为一种适用于任何水刀切割头的实用解决方案,“氦气同轴流技术”是一种使用气体准直仪将氦流平行吹向喷嘴的方法(图5)。 Cadavid还认为该技术适用于Laser MicroJet™技术,并发表该论文。不得不承认,该技术确实在Laser MicroJet的采用获得了成功[10]。

               

图5.“氦气同轴流技术”使用气体准直仪将氦气流平行吹向喷嘴,喷嘴直径 36 µm,系统压力 140 MPa;(a)氦气流量 0 cm3/s,(b)28 cm3/s(b)和(c)69 cm3/s,标尺的零设置为喷水孔的位置(感谢:R. Cadavid [7])。

Avonisys液体喷射激光技术还依赖于连贯的水射流。但是,它的目标是最稳定而并飞最长的连贯水刀。 因此,喷射的空气通过另外一种方法,即通过在喷射的液体周围形成圆柱形屏障来实现保护(图6)。 这减轻了激光头移动期间由周围环境引起的摩擦干扰,并避免了喷射干扰,例如在加工工件时由反弹的水和碎屑引起的飞溅。

图6. Avonisys的喷气技术中在喷水器周围形成了一个受保护的工作区

 

系统构建和维护优化

Avonisys系统是由高压水泵和激光切割头组成。该泵设计用于以高达600 bar的输出压力将无脉动的水流输送到激光头的耦合组件。整体尺寸仅为65×42×50 cm,可以灵活地安装到CNC数控机床的机柜中。

 

图7. Avonisys LJFK45激光头

激光头由光束传输光学器件、高分辨率喷嘴准直系统、Z轴聚焦驱动器以及XY平面内具有微对准的耦合组件(配备了快速释放机构)(图7)[8]。激光窗口固定器可独立拆卸、更换激光窗并重新安装连接组件和精确对准喷嘴可在5分钟内完成,而更换喷水喷嘴更是仅需2分钟。简便和可靠的设置满足了大量寻求精确千瓦级激光束加工零件的客户需求。(杨瑾译)

 

参考文献

1. W. Wrobel和Aesculap-Werke,专利DE3643284C2

2. G. Delacretaz,E。Leiglon,B。Richerzhagen,E。Tasev和LASAG,专利优先权申请FR9106488

3. B. Richerzhagen,专利DE4418845C5

4.J.Gaebelein和J.Hribar,专利US10307864B2

5. J. Gaebelein和J. Hribar,专利US8859988B1

6. www.spilasers.com

7. R. Cadavid,用小直径流体射流切割,德国凯瑟斯劳滕大学,ISBN 3936890463

8. R. Cadavid和D.Wüstenberg,大学67663 Kaiserslautern,专利申请DE10113475A1

9. R. Cadavid和D.Wüstenberg,德国凯撒斯劳滕大学,第16届国际水喷射会议,法国普罗旺斯,ISBN 1855980428,279-286

10. B. Richerzhagen和A. Spiegel,专利EP1833636B1

11.J.Gaebelein和J.Hribar,专利US10022820B2

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