光束傳輸對(duì)于激光切割過(guò)程的可靠性具有重大意義，瑞士百超專(zhuān)注研發(fā)光束傳輸質(zhì)量。“光束性能與傳輸是百超激光切割系統(tǒng)的核心要素，”瑞士百超激光研發(fā)部負(fù)責(zé)人Roland St?ckli如是說(shuō)，“從技術(shù)角度來(lái)看，它是我們必須掌握的技術(shù)含量最高、最耗費(fèi)時(shí)間的工作之一，它就是決定機(jī)床切割是否穩(wěn)定的重要因素。”
對(duì)于光束傳輸從其定義來(lái)看都包含什么，各種理解不一而終。從最廣泛的意義上來(lái)講，光束傳輸包括從諧振腔到切割頭的完整光束通道。從更加嚴(yán)格的意義上講，例如在技術(shù)術(shù)語(yǔ)中，它一般只是指諧振腔的光束輸出和切割頭的光束輸入。很多激光切割系統(tǒng)中使用的元件都可以在市面上買(mǎi)到。光束性能與傳輸部門(mén)激光物理學(xué)者Andreas Lüdi稱(chēng)：“另一方面，完整的光束傳輸概念并不存在。可以說(shuō)，光束傳輸質(zhì)量是百超區(qū)別于其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一項(xiàng)要素。有了基于大量技術(shù)訣竅和能力的光束傳輸技術(shù)，百超有實(shí)力獨(dú)樹(shù)一幟。”
光束傳輸?shù)娜蝿?wù)就是保持激光束高品質(zhì)由諧振腔傳輸?shù)角懈铑^，從而保證了切割過(guò)程的連續(xù)性，確保了切割穩(wěn)定性和過(guò)程可靠性。光束傳輸根據(jù)機(jī)床的尺寸可以有幾米長(zhǎng)，它必須根據(jù)具體的要求加以構(gòu)造，只有這樣才能有效抵消或者補(bǔ)償影響降低光束質(zhì)量的各種因素。
諧振腔和光束的形成
光束的形成主要是靠諧振腔中的透鏡以及擴(kuò)束系統(tǒng)中的兩個(gè)遠(yuǎn)視鏡。
圖1 光束從諧振腔輸出端到包括切割頭之間傳輸
百超應(yīng)用飛行光路技術(shù)(圖1)，激光源是固定的，緊貼機(jī)器，切割頭所在的切割橋既輕便又靈活。正是由于移動(dòng)架的重量較輕，可實(shí)現(xiàn)高的加速度和高速移動(dòng)。這確保了快速高效率切割，但對(duì)光束傳輸也提出了額外的要求。與激光束的自然屬性相稱(chēng)，由諧振腔發(fā)出的光束呈腰形(圖2)。由于透鏡在移動(dòng)，產(chǎn)生的光束長(zhǎng)度也隨之發(fā)生變化，到達(dá)工件的光束在沒(méi)有抵消措施的情況下將呈現(xiàn)不同的特征(焦距長(zhǎng)度和橫截面)。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，利用遠(yuǎn)視鏡將光束放大。這確保了光束橫截面保持基本的連續(xù)性，即在事實(shí)上保持其不因長(zhǎng)度改變而有所變化。使到達(dá)切割臺(tái)任意點(diǎn)的光束始終保持一致。
圖2 激光束覆蓋整個(gè)切割范圍
與其重要性相符，光束在光束傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)正確成形。下一個(gè)決定性的階段是使高品質(zhì)光束傳輸?shù)竭_(dá)切割頭。這個(gè)過(guò)程可在防護(hù)罩中完成。
防護(hù)罩和光束傳輸通道
擴(kuò)束和偏振作用之后，光束必須得到充分保護(hù)，以便在到達(dá)切割臺(tái)時(shí)保持其特征。百超的激光傳輸是在帶防護(hù)罩的光束通道中完成的。這個(gè)裝置非常復(fù)雜，它必須滿(mǎn)足質(zhì)量方面的許多需求：首先它不能是易燃的，必須是完全密封的，須有一定的使用壽命，不能透氣。密封，這就意味著它必須不透塵、不透水、不透氣。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)更傾向于防護(hù)罩是真空的，因?yàn)檫@樣的話(huà)，光束就可以以最小的干擾傳輸。由于在技術(shù)上這樣做是行不通的，所以百超利用純凈空氣（即幾乎沒(méi)有濕度的空氣）保護(hù)光束通道，濕氣和塵垢一樣具有類(lèi)似的負(fù)面作用，可改變光束的橫截面和光束特征，另外一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是CO2含量。為了防止上面所提及的類(lèi)似雜質(zhì)進(jìn)入周?chē)目諝猓雷o(hù)罩要保持一定的壓力。
BySpeed激光切割機(jī)，切割頭以169m/min的速度移動(dòng)，在空氣動(dòng)力學(xué)中會(huì)出現(xiàn)巨大的差異。這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一定的風(fēng)險(xiǎn)，光束通道中的某些點(diǎn)上會(huì)有負(fù)壓力而不是所希望的正壓力。在這些點(diǎn)上潛在地存在著污染的危險(xiǎn)。所面臨的挑戰(zhàn)是通過(guò)利用精確測(cè)量的動(dòng)態(tài)光束傳輸、防護(hù)罩交換器和靈活的通道避免出現(xiàn)類(lèi)似的情況。所有這些措施都確保了聚焦及精確的光束到達(dá)切割臺(tái)，而不是分散的光束。
切割頭和光束聚焦
光束傳輸?shù)慕K點(diǎn)是切割頭。切割頭的聚焦光學(xué)元件可以確保切割工件的激光具有高強(qiáng)度和高度集中。由于適應(yīng)性光學(xué)元件和可調(diào)整透鏡的存在，焦點(diǎn)的位置也可以改變，由于材料的密度、特征以及所使用的切割氣不同，需要有不同的焦點(diǎn)位置。切割頭構(gòu)造的最主要挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)出耐用度最強(qiáng)重量最輕的切割頭，要能夠經(jīng)受住切割過(guò)程中產(chǎn)生的重壓以及張力。另一方面，切割頭應(yīng)該便于使用，容易更換，有盡可能多的功能。
“只有所有的部件都完美地配合時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化，光束傳輸環(huán)節(jié)越來(lái)越被重視。”Roland St?ckli贊同地表示。只考慮光束傳輸中的某一點(diǎn)而忽略其他部件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，百超在整個(gè)鏈條上仍然繼續(xù)做著深入開(kāi)發(fā)的工作，目標(biāo)就是為客戶(hù)進(jìn)一步提高過(guò)程的可靠性以及進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。任何想把系統(tǒng)推至完美使速度達(dá)到極限的人都必須確保所有的核心部件（諸如光束傳輸?shù)龋┒家愿哂跇?biāo)準(zhǔn)要求。