[据美《Aviationnow》2002年9月26日报道]
洛·马公司负责定向能项目的领导透露,在联合攻击战斗机上装备高能激光器的研究工作中,该公司所面对的最大挑战之一是由该系统导致的过热问题。激光系统依靠电能产生高度聚焦的激光光束,同时必须散发掉大量多余的热量。洛·马公司认为,100KW激光器是作为战斗机有效武器所需的最低功率级。洛·马公司负责定向能计划的汤姆·伯里斯告诉《航宇日报》,为了获得100KW的光束输出,你不得不输入1MW的电功率。因此你不得不冷却大约900KW的热量。这是很大的数字,对于战斗机来说,通常只能冷却几十千瓦的热量。为了散掉这些热量将使用冷却回路,以便把热量从激光器系统带走,并把它传送给飞机的油箱。伯里斯说:”几乎与你的小轿车散热器一样,从冷却系统获得的热量送入你的发动机,并把它通入空气。”这个过程不损害JSF的隐身特性,因为这个过程对JSF的红外特征没有明显的影响。

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在过去的十年中,工业材料加工用激光产品的市场已实现每年两位数的增长。伴随着激光光源技术的进步,以及激光加工系统应用范围的拓展和优化,激光技术已经在众多领域成为一项高效、可靠的加工手段。
汽车工业以及通用钣金加工行业是激光及其相关技术进步与发展的驱动源。在这些行业中,更高输出功率的激光源以及更高的光束品质拓展了激光技术的应用范围。
二氧化碳激光器由于其高输出功率、光束品质优秀、易于操作、以及易于同现有系统集成,成为激光工业中重负荷加工系统的主力军。估计有60%的二氧化碳激光器被用来做切割应用。大多数激光板材加工系统均采用1~3KW的二氧化碳激光器。如今,为追求更高的加工速度,用户不断考虑选用更高输出功率的激光器,但事实上增加输出功率就能获得更高的加工速度吗?
对更高输出功率的需求
对更高输出功率的需求是没有止境的。但是,更高的输出功率并不总是意味着能够获得更高的加工速度。因为实际的加工中不太可能满额使用其激光器的可输出功率。
如果材料的厚度是1mm至6mm,举例而言,一般不可能采用满额的激光功率来加工工件,不管它是中碳钢、不锈钢还是铝。在热切割的过程中持续增加激光功率至超出所需要的值,可能导致材料的热影响区扩大,并要求机械运动系统降低速度,从而导致切割速度的降低。
因此当激光切割金属板材的厚度不高于4mm时,操作者一般采用远低于2KW的输出功率来加工。甚至对于厚度在4mm~6mm的板材,若使用一个5KW的激光器,操作者也往往也需要调低功率,使用不超过2KW的输出功率来做切割加工。
当切割厚板材料时,实验结果表明,增加激光器的输出功率并不能显著地增加切割速度。见图1,在切割15mm,20mm,25mm中碳钢这些厚板材料时,激光功率从2.5KW提高到5KW但并不能实现切割速度成倍的增加。

图1

相对于通过增加激光输出功率来获得更高的加工速度,我们更加倾向于优先考虑输出功率适当、但光束品质更好的激光器来提高加工效率。对于金属板材切割而言,Rofin-Sinar公司的扩散冷却式二氧化碳板条激光器无疑是一个最佳选择。
采用扩散冷却式二氧化碳板条激光器
采用新专利技术的扩散冷却二氧化碳板条激光器,可以得到更高的光束品质以及更小的聚焦光斑直径,见图2。

图2

激光的谐振腔由前镜、后镜以及两个平行放置的射频电极组成。对激光气体的激励在两个通水冷却的射频电极之间进行。在放电激励过程中,激光气体产生的热量由水冷式的电极带走。因此,不在需要传统的气体循环系统,包括罗茨增压泵或者涡轮机。在激光头中集成的光束成形单元,可以实现高品质的、均匀的圆光斑。谐振腔的设计,实现了45度线性偏振的光束输出。这些特征实现了更窄的切缝,由于更少的材料在切割中被移除,所以可以显著地提高切割速度。因此,扩散冷却式的二氧化碳板条激光器特别适合薄板金属的切割。

图3

如图3所示,采用2.5KW二氧化碳板条激光器切割中碳钢的切割速度,可同采用传统方式的轴快流二氧化碳激光器4KW所能实现的相媲美。仅当板材厚度高于10mm时,切割速度的区别才显现出来。
在对铝材进行激光熔化切割时,高光束品质的优势将发挥得更加明显。在2mm以下的厚度,板条激光器可以获得的切割速度,远远高于气体流动式的二氧化碳激光器。在2mm~4mm的区间,两个激光器获得的结果非常接近。

图4

在切割不锈钢材料时,我们也发现了同样的结果。 节省运行费用
另外一个关乎激光运行成本的重要因素是激光器的设计。例如,扩散冷却二氧化碳板条激光器布局简洁,谐振腔仅材料两片金属镜反射片。扩散冷却的设计原理,摒弃了涡轮机和鼓风机带动气体循环,实现了激光器的极低损耗。由于二氧化碳板条激光器没有气体循环和流动,启动机器就可以实现激光输出。而轴快流的二氧化碳激光器需要一个较长的启动时间,消耗大量的气体,并且,在待机状态时,必须维持涡轮机和鼓风机的运转,消耗太多的电能。
扩散冷却式的二氧化碳板条激光器所使用的激光气体是预先混合好的,预混气体的气瓶集成于激光头中,无需外部气体的供应,一瓶预混气体的消耗周期大约1年(以2.5KW为例),因此气体消耗所导致的成本甚至可以忽略不计。当气瓶的气体消耗完,只需再换一瓶新的,机器可以继续运行一个新的消耗周期。
当然,板条激光器和轴快流激光器的差别和比较优势远远不止以上所述的几点,在镜片使用寿命、维护间隔、热稳定性等诸多方面,板条激光器体现出了作为第三代二氧化碳激光器的明显优势。
当需要更高功率时增加功率
鉴于增加功率意味着增加成本。对于通过增加功率来获得更高的加工效率,我们更倾向于优先考虑光束品质更高的激光器。对于4~6mm厚度的板材,也就是如今金属板材加工的最主要范围,采用2.5KW的板条二氧化碳激光器,充分利用高光束品质的优点,即可实现高速的加工。
在另外一个方面,高功率激光源可以以更高的速度切割更厚的工件。当用户期望达到更高的切割速度时,必须在各种激光器更高的投资成本以及增加运行费用间仔细权衡。
当你所需要加工的板材以厚板材料为主时,采用更高功率的激光器才有必要。
另外,切割厚板材料,以前的看法是高功率的轴快流激光器的结果要优于同等功率的板条激光器,然而,更高功率的板条二氧化碳激光器(4KW、5KW)配合7.5”
+
20”焦距的切割头,其加工速度和切缝质量,又将同等功率的轴快流激光器远远地甩在了后面,延续了板条二氧化碳激光器在激光切割领域中的一贯优势。
总结
更高功率的激光器意味着更高的投资成本、运营成本以及能耗,在以节约能源消耗和环保为主题的今天,我们更加推荐在选择激光器时,不管是固体激光器还是二氧化碳激光器,优先考虑光束品质更加优秀的激光器,在优秀的光束品质前提下,再适当选择合适的输出功率。优秀的光束品质是激光器制造厂商追求的目标,也是加工品质和效率的关键!
原文作者:Thorsten Frauenpreiβ, Rofin-Sinar Laser GmbH 总经理
由丁元东先生翻译整理,丁元东先生任Rofin中国公司高功率事业群销售工程师,baldwin_ding@rofin-baasel.com.cn,
电话:+86-21 6855-2216转26 (end)