二極管激光直接切割鋼板可行性展望

楊衛紅

摘要：本文介紹了LIMOS DIOCUT系統和激光二極管陣列激光器系統用作不同材料的激光熔覆、有氧切割的效果。介紹了1.3KW和2KW的二極管激光器系統的切割試驗，其試驗結果表明：使用22mm*mrad光束質量在適當的速度下可以得到很好的切割邊緣。根據應用結果得出結論：幾千瓦二極管激光器直接切割成為可能。

引言：

近年激光處理材料市場總體是不斷增長的。激光系統市場的龐大的加工市場中，激光切割是下游市場中的一項主要應用。激光切割仍然主要由二氧化碳激光器占有，同時光纖激光器也開始分占市場。光纖激光器開始發展時，一些專家預言光纖激光器很快會會取代二氧化碳激光器占有幾乎所有市場。這主要基于短波長能使光束質量提高一個量級?，F在，完全取代已經消失，這是因為光纖激光器對于厚板的切割質量太差。對于超過4mm的厚板二氧化碳激光器能在與光纖激光器相同的速度下完成切割且邊緣平整。對于4mm以下的薄板，光纖激光器由于其低光束參數的優勢，在保證切割質量和二氧化碳激光器相同的條件下，過去幾年中切割速度也在穩定的提高?，F在千瓦級的激光二極管陣列激光器系統可以應用到需要小光斑領域。這開辟了激光二極管陣列激光器進入激光切割市場的道路。本文介紹了LIMOS DIOCUT系統用作不同材料的激光熔覆、有氧切割的效果。例如，4mm厚的鋁板和鋼板熔覆切割時平整度在10um以下。

1.二極管激光器切割市場分析

切割粗糙度低于10微米；帶冷卻的電光轉換效率為30%。這是提到直接用二極管激光器切割金屬就可以說到的兩個優點。在這里強調“直接二極管激光器”意在用二極管激光器切割金屬并不是常見的過程。然而，二極管技術的穩定發展可以設計一個高亮度二極管激光器系統，該激光器系統的輸出功率是2千瓦，一個光束參數結果是22mm*mrad?，F在商業可行的“DIOCUT”系統準備可以應于大量激光切割市場。該系統已經證明可以用于切割鋁，不銹鋼，銅和低碳鋼。其切割邊緣質量可以與CO2激光器相比。我們的發展方向是在不遠的將來在每光束質量上有更高的輸出功率。

近年激光處理材料市場總體是不斷增長的，激光切割是下游市場中的一項主要應用。激光切割仍然主要由二氧化碳激光器占有，同時由光纖激光器分占市場。光纖激光器開始發展時，一些專家預言光纖激光器很快會會取代二氧化碳激光器占有幾乎所有市場。這主要基于短波長能使光束質量提高一個量級?，F在，完全取代已經消失，這是因為光纖激光器對于厚板的切割質量太差。對于超過4mm的厚板二氧化碳激光器能在與光纖激光器相同的速度下完成切割且邊緣平整。對于4mm以下的薄板，光纖激光器由于其低光束參數的優勢，在保證切割質量和二氧化碳激光器相同的條件下，過去幾年中切割速度也在穩定的提高。現在千瓦級的激光二極管陣列激光器系統可以應用到需要小光斑的領域。這開辟了激光二極管陣列激光器進入激光切割市場的道路。

2. DIOCUT二極管激光器系統

2KW二極管激光器系統構建于一個工業貨架并形成一個二極管模塊，水-水冷卻，二極管驅動和功率分布單元。系統的主要模塊，二極管模塊，分為4個小模塊和一個波長耦合單元。每個小模塊在不同的波長交付600W。波長808nm，940nm，980nm通過雙色鏡在波長耦合單元耦合，隨后耦合到工業光纖。該系統配備有一個LLK-B工業高功率光纖連接器。存在的組合有NA為0.20的200微米光纖或者NA為0.12的400微米光纖[1-3]。包含冷卻的系統的整體電光轉換效率是30%。

對于光束傳送，用來自Highyag的帶有中斷和漏洞檢測的工業LLK-B光纖加上Precitec （YK52） and Highyag （BIMOFSC）的加工頭。為了提高二極管激光器在寬波長范圍的防反射涂層各個公司的加工頭是標準切割頭。為連接系統到任意的自動系統，可以允許不同的借口。

2KW的二極管激光器系統以950 mm/min的速度對4毫米的不銹鋼板切割。經測量，切割邊緣粗糙度是10±5μm。切割氣體氮氣壓強為12bar。我們也切割厚度為0.5-6毫米的不銹鋼。對于厚度大于等于5毫米的，切割速度于2KW的光纖激光器和CO2激光器相同。在0.5-6毫米的板厚范圍里，其切分邊緣粗糙度于CO2激光器的相近。

對于2KW二極管激光器對鋁板的融合切割所得到的切割粗糙度于切割不銹鋼板相同Rz = 10 ± 5μm，這個值比光纖激光器的要好。在10bar N2的情況下對3毫米鋁板切割的速度是1 m/min。盡管較好的切割質量，最大切割速度比光纖激光器的低。

2kW DIOCUT系統也可以用氧氣切割。切割質量相當，切割速度與光纖和CO2相近。10毫米低碳鋼氧氣切割，在1.5 bar O2的工作氣體下，2KW系統的速度為1.25 m/min。切割邊緣質量和細溝結構和二氧化碳激光器對低碳鋼切割的相當。氧氣切割3毫米銅板速度為200 mm/min。工作氣體為2.5 bar O2。切割邊緣粗糙度值比光纖激光器的小。然而切割速度比光纖激光器的小。

3.展望

kW級的高功率二極管激光器應用于金屬切割剛剛開始，有更好的二極管系統就能進入這個巨大市場。我們下一步的目標是提高功率開發3kW22mm*mrad激光器。更高的功率意味著更快的切割速度且能夠切割更厚的材料。目前結合寬帶增透膜為光纖激光和碟片激光設計的激光切割頭已經投入使用。將來激光加工頭可以設計成能夠最好的利用多波長的二極管激光器，這樣我們就可以把已經達到的功率更有效的用于工件加工上。

4總結

應用結果表明二極管激光器在金屬宏切割市場正在獲得市場份額。根據加工金屬，二極管激光器可以覆蓋較寬的應用領域。切割質量與二氧化碳激光器相當。速度也很相近?？紤]到電光轉換效率，二極管激光器是現存的激光器中最有曉得激光源。高亮度二極管系統在不就得將來會存在如3 kW 22 mm*mrad。

參考文獻

[1]Marco Lentjes and Peter Bruns ，Metal Cutting with Multi kW Diode Laser， laser cutting， September 2012 No. 4

[2]Jiande Han and Michael C. Heaven*，Gain and lasing of optically pumped metastable rare gas atoms， Optic Lasers June 1， 2012 / Vol. 37， No. 11

[3]M. Rütering： Lasertechnik vergleichen， Laser Technik Journal 7（2010） 6， 27.