技術(shù)

1.概述

    最近幾年，GSI集團(tuán)激光事業(yè)部在泵浦Nd: YAG光源的研發(fā)和應(yīng)用方面進(jìn)行了多項原創(chuàng)性研究，以發(fā)揮其最大性能。研發(fā)工作主要集中在大功率（400～2000W）、連續(xù)波長（CW）的激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)除連續(xù)波長模式外，還可以工作在脈沖或可調(diào)輸出功率模式下，與傳統(tǒng)連續(xù)模式相比，峰值功率可提高兩倍。GSI集團(tuán)首先在20世紀(jì)90年代初提出這項技術(shù)，并成功地在焊接和切割領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

    Nd: YAG激光（CW）輸出功率穩(wěn)定，并且可以在平均功率的10%～ 100%范圍內(nèi)可調(diào)。GSI集團(tuán)特有的SuperModulationTM（超脈沖）技術(shù)能夠在無激光輸出或在低平均功率時將部分能量儲存在激光電源中，然后在激光輸出或高平均功率時將能量傳遞到工作介質(zhì)上，而產(chǎn)生如表1所示的兩倍的峰值功率輸出。因此，SM激光可以像其他激光一樣工作在連續(xù)波長模式下，并且能夠在峰值功率高于額定功率的情況下產(chǎn)生方波、正弦波或其他重復(fù)性輸出，而此時仍可實現(xiàn)平均功率的全額輸出。例如，矩形波輸出暫載率為50%時，在激光的脈沖“接通”時間，輸出功率值能夠達(dá)到連續(xù)波長模式下的200%，因此平均輸出功率和激光的全定額功率相等。典型的激光輸出如圖1所示。某些時候并不需要200%的激光調(diào)節(jié)，這取決于激光聚焦斑點(diǎn)的尺寸、和表面形成的夾角、所切割材料的厚度、合金的種類以及材料表面的電鍍和鍍鋅涂層等因素。在切割鍍鋅鋼板和鋁合金等汽車工業(yè)所需的材料時，由于峰值功率的瞬間增長，使超脈沖激光具有一些特殊的優(yōu)勢。

圖1   超脈沖模式下的方波和正弦波波形

    接下來的內(nèi)容我們會選擇部分優(yōu)點(diǎn)加以闡述。這些技術(shù)上的改進(jìn)大體分為以下三類：

    （1）更高的切割速度。

    （2）和材料表面呈銳角切割。

    （3）掛渣減少和更好的切割邊緣質(zhì)量。

    采用超脈沖激光切割不同厚度的鍍鋅鋼板和鋁合金，結(jié)果表明超脈沖技術(shù)可以在保證切割速度、切割質(zhì)量的同時，減少不可控的材料燃燒。此外，在切割鋁合金和鍍鋅鋼板時，切割偏差分別減少100%和400%，并且增加鋁合金的切割厚度。當(dāng)切割復(fù)雜形狀的零件時，在保證切割質(zhì)量、峰值功率不降低的情況下使平均輸出功率降低。

    超脈沖激光的應(yīng)用領(lǐng)域包括：汽車車身焊縫清理；液壓成形管材的切割和打孔。

    2.試驗條件

    試驗的對象是鍍鋅鋼板和鋁合金。研究對象是連續(xù)波長輸出和超脈沖輸出兩種切割模式下的切割速度、邊緣質(zhì)量和掛渣程度。具體的切割參數(shù)見表2。

    3.結(jié)果和討論

    （1）鍍鋅鋼板  方波超脈沖技術(shù)通過引起更多的吸收來提高切割效率，并且使燒蝕前沿更加整齊，并和材料表面垂直。當(dāng)切割2mm以下鋼板時，SM模式速度比連續(xù)輸出模式快，這在切割鍍鋅鋼板時效果尤其顯著。連續(xù)波長輸出模式下，鋅鍍層會與母體材料發(fā)生反應(yīng)，這就是為什么鍍層越厚、鋼板越薄，切口質(zhì)量就會越差的原因。從圖2可以看出，連續(xù)波長輸出模式下，在厚度值的中間范圍，切割速度有一反常的下降。這應(yīng)該是鋅鍍層沸騰揮發(fā)造成激光束發(fā)散或降低了基體對熱量的吸收。超脈沖技術(shù)使切割速度更快，因為兩個峰值功率之間存在遲滯時間，所以揮發(fā)的煙塵在下一個峰值到來之前被驅(qū)散。圖2是切割1.5mm厚鍍鋅鋼板的速度比較，切割同樣材料時孔洞的背部質(zhì)量比較見圖3。

圖2  鍍鋅鋼板切割速度和材料厚度關(guān)系