二极管激光直接切割钢板可行性展望

杨卫红

摘要：本文介绍了LIMOS DIOCUT系统和激光二极管阵列激光器系统用作不同材料的激光熔覆、有氧切割的效果。介绍了1.3KW和2KW的二极管激光器系统的切割试验，其试验结果表明：使用22mm*mrad光束质量在适当的速度下可以得到很好的切割边缘。根据应用结果得出结论：几千瓦二极管激光器直接切割成为可能。

引言：

近年激光处理材料市场总体是不断增长的。激光系统市场的庞大的加工市场中，激光切割是下游市场中的一项主要应用。激光切割仍然主要由二氧化碳激光器占有，同时光纤激光器也开始分占市场。光纤激光器开始发展时，一些专家预言光纤激光器很快会会取代二氧化碳激光器占有几乎所有市场。这主要基于短波长能使光束质量提高一个量级。现在，完全取代已经消失，这是因为光纤激光器对于厚板的切割质量太差。对于超过4mm的厚板二氧化碳激光器能在与光纤激光器相同的速度下完成切割且边缘平整。对于4mm以下的薄板，光纤激光器由于其低光束参数的优势，在保证切割质量和二氧化碳激光器相同的条件下，过去几年中切割速度也在稳定的提高。现在千瓦级的激光二极管阵列激光器系统可以应用到需要小光斑领域。这开辟了激光二极管阵列激光器进入激光切割市场的道路。本文介绍了LIMOS DIOCUT系统用作不同材料的激光熔覆、有氧切割的效果。例如，4mm厚的铝板和钢板熔覆切割时平整度在10um以下。

1.二极管激光器切割市场分析

切割粗糙度低于10微米；带冷却的电光转换效率为30%。這是提到直接用二极管激光器切割金属就可以说到的两个优点。在这里强调“直接二极管激光器”意在用二极管激光器切割金属并不是常见的过程。然而，二极管技术的稳定发展可以设计一个高亮度二极管激光器系统，该激光器系统的输出功率是2千瓦，一个光束参数结果是22mm*mrad。现在商业可行的“DIOCUT”系统准备可以应于大量激光切割市场。该系统已经证明可以用于切割铝，不锈钢，铜和低碳钢。其切割边缘质量可以与CO2激光器相比。我们的发展方向是在不远的将来在每光束质量上有更高的输出功率。

近年激光处理材料市场总体是不断增长的，激光切割是下游市场中的一项主要应用。激光切割仍然主要由二氧化碳激光器占有，同时由光纤激光器分占市场。光纤激光器开始发展时，一些专家预言光纤激光器很快会会取代二氧化碳激光器占有几乎所有市场。这主要基于短波长能使光束质量提高一个量级。现在，完全取代已经消失，这是因为光纤激光器对于厚板的切割质量太差。对于超过4mm的厚板二氧化碳激光器能在与光纤激光器相同的速度下完成切割且边缘平整。对于4mm以下的薄板，光纤激光器由于其低光束参数的优势，在保证切割质量和二氧化碳激光器相同的条件下，过去几年中切割速度也在稳定的提高。现在千瓦级的激光二极管阵列激光器系统可以应用到需要小光斑的领域。这开辟了激光二极管阵列激光器进入激光切割市场的道路。

2. DIOCUT二极管激光器系统

2KW二极管激光器系统构建于一个工业货架并形成一个二极管模块，水-水冷却，二极管驱动和功率分布单元。系统的主要模块，二极管模块，分为4个小模块和一个波长耦合单元。每个小模块在不同的波长交付600W。波长808nm，940nm，980nm通过双色镜在波长耦合单元耦合，随后耦合到工业光纤。该系统配备有一个LLK-B工业高功率光纤连接器。存在的组合有NA为0.20的200微米光纤或者NA为0.12的400微米光纤[1-3]。包含冷却的系统的整体电光转换效率是30%。

对于光束传送，用来自Highyag的带有中断和漏洞检测的工业LLK-B光纤加上Precitec （YK52） and Highyag （BIMOFSC）的加工头。为了提高二极管激光器在宽波长范围的防反射涂层各个公司的加工头是标准切割头。为连接系统到任意的自动系统，可以允许不同的借口。

2KW的二极管激光器系统以950 mm/min的速度对4毫米的不锈钢板切割。经测量，切割边缘粗糙度是10±5μm。切割气体氮气压强为12bar。我们也切割厚度为0.5-6毫米的不锈钢。对于厚度大于等于5毫米的，切割速度于2KW的光纤激光器和CO2激光器相同。在0.5-6毫米的板厚范围里，其切分边缘粗糙度于CO2激光器的相近。

对于2KW二极管激光器对铝板的融合切割所得到的切割粗糙度于切割不锈钢板相同Rz = 10 ± 5μm，这个值比光纤激光器的要好。在10bar N2的情况下对3毫米铝板切割的速度是1 m/min。尽管较好的切割质量，最大切割速度比光纤激光器的低。

2kW DIOCUT系统也可以用氧气切割。切割质量相当，切割速度与光纤和CO2相近。10毫米低碳钢氧气切割，在1.5 bar O2的工作气体下，2KW系统的速度为1.25 m/min。切割边缘质量和细沟结构和二氧化碳激光器对低碳钢切割的相当。氧气切割3毫米铜板速度为200 mm/min。工作气体为2.5 bar O2。切割边缘粗糙度值比光纤激光器的小。然而切割速度比光纤激光器的小。

3.展望

kW级的高功率二极管激光器应用于金属切割刚刚开始，有更好的二极管系统就能进入这个巨大市场。我们下一步的目标是提高功率开发3kW22mm*mrad激光器。更高的功率意味着更快的切割速度且能够切割更厚的材料。目前结合宽带增透膜为光纤激光和碟片激光设计的激光切割头已经投入使用。将来激光加工头可以设计成能够最好的利用多波长的二极管激光器，这样我们就可以把已经达到的功率更有效的用于工件加工上。

4总结

应用结果表明二极管激光器在金属宏切割市场正在获得市场份额。根据加工金属，二极管激光器可以覆盖较宽的应用领域。切割质量与二氧化碳激光器相当。速度也很相近。考虑到电光转换效率，二极管激光器是现存的激光器中最有晓得激光源。高亮度二极管系统在不就得将来会存在如3 kW 22 mm*mrad。

参考文献

[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.