Дифракционный метод формирования лазерного пучка в виде пятна, окруженного кольцом, с плавно регулируемым коэффициентом мощности

Аннотация

Высокая скорость лазерной сварки может быть достигнута за счет использования профиля пучка в форме кольца и центрального пятна с регулируемым соотношением энергии кольца и пятна, что позволяет оптимизировать процесс. В статье представлена новая и простая концепция, основанная на дифракции, для достижения такой регулируемой формы для стандартных волоконных лазеров.

Модуль регулируется по вращению в диапазоне от 100% до отсутствия энергии в центральном пятне, может работать как с одномодовыми, так и с многомодовыми лазерами, отличается высокой компактностью (длина менее 20 мм) и высокой мощностью пассивных дифракционных компонентов. Эта концепция устраняет необходимость в специальных волоконных лазерах кольцевого типа, что позволяет упростить конструкцию сварочной лазерной головки.

Необходимость формирования кольца и пятна при лазерной сварке

Лазерная сварка широко используется в автомобилестроении, судостроении, производстве аккумуляторных батарей и других отраслях промышленности. Скорость сварки является одним из наиболее важных технологических ограничений во многих областях применения. Одной из таких областей является производство электромобилей, где для сварки контактов аккумуляторных батарей используется лазер, а высокая скорость сварки может обеспечить более высокую производительность и экономию затрат.

Другим примером является производство бензиновых автомобилей, поскольку требования к экономии топлива побуждают производителей использовать больше алюминия и современных материалов, требующих лазерной сварки дверей, навесных деталей, компонентов из сверхпрочной стали и алюминиевых рам кузова. 

Потребность в более высоких скоростях сварки приводит к увеличению доступности недорогих волоконных БИК-лазеров с высокой мощностью. Было обнаружено, что скорость лазерной сварки ограничена различными физическими явлениями, такими как разбрызгивание, бугристость и увеличение пористости сварного шва.

Рисунок 1. В верхнем ряду показаны 3 положения (a, b и c) относительной ориентации вращения: 0°, 7,5° и 15° соответственно между двумя дифракционными оптическими элементами. В нижнем ряду показано распределение интенсивности, относящееся к каждой из ориентаций вращения в ряду выше: вся мощность сосредоточена в центральном пятне (d), вся мощность сосредоточена в кольце (f), промежуточное положение, где часть мощности находится в центральном пятне, а часть находится в окружающем кольце (e)

Эти явления значительно уменьшаются при использовании специального формирователя пучка, состоящего из центрального пятна, окруженного кольцом, с определенным соотношением мощности между центральным пятном и окружающим кольцом. Различные параметры процесса (такие как толщина металла, тип металла и геометрия) требуют различных соотношений для обеспечения наилучшего процесса при высокой скорости сварки. Таким образом, решение, которое может обеспечить контролируемое, регулируемое соотношение мощности, является преимуществом для многих системных интеграторов.

Решения на основе волокон для регулируемого формирования кольца и пятна: преимущества и ограничения

Наиболее часто используемый метод создания профиля пучка в форме кольца и центрального пятна заключается в использовании специальных многомодовых волоконных лазеров с двойным или тройным сердечником. Центральный сердечник окружен одним или двумя концентрическими кольцеобразными сердечниками. Мощность лазера для каждого сердечника может устанавливаться отдельно, что позволяет регулировать мощность в центральном пятне по сравнению с окружающими кольцами. Затем изображение выходного сигнала волокна выводится непосредственно на рабочую плоскость, обеспечивая желаемый профиль пучка.

Такие волоконные лазеры с регулируемым профилем пятна были выпущены большинством ведущих компаний на рынке волоконных лазеров высокой мощности (> 1 кВт), включая Trumpf, Coherent, IPG, nLight и другие. Одним из главных преимуществ этих волоконных лазеров является отсутствие необходимости во внешней формирующей оптике – все формообразование происходит и контролируется на уровне волоконного лазера. Достаточно подключить волоконный коллиматор к адаптеру и можно приступать к работе с пучком, профиль интенсивности которого контролируется компьютером и регулируется в режиме реального времени, что обеспечивает быструю сварку без дефектов.

Однако с этим методом связаны некоторые проблемы, из-за которых решения с регулируемыми кольцами на основе волокон являются неоптимальными.

Во-первых, такие лазерные системы отличаются повышенной сложностью и стоимостью по сравнению с обычными многомодовыми волоконными лазерами высокой мощности. Во-вторых, высокая числовая апертура таких волокон означает, что необходимо использовать специальные коллиматоры, часто требующие оптики большего размера, чем было бы необходимо в противном случае, по сравнению со стандартной сварочной оптикой, используемой сегодня с волоконными лазерами.

Также часто возникает ограничение на соотношение между центральным пятном и кольцом. Для повышения мощности в месте сварки необходимо увеличить мощность внутри кольца, так как центральный сердечник может поддерживать мощность только до типичного предела <6-8 кВт. Это означает, что конфигурации, в которых большая часть мощности направляется в центральное пятно и лишь небольшая часть – в кольцо, не могут использоваться с полной мощностью лазера, если не используется настроенное соотношение волоконных сердечников.

Рисунок 2. График относительной мощности в центральном пятне и окружающем кольце в зависимости от относительного угла поворота между двумя бинарными дифракционными оптическими элементами

В статье описан альтернативный подход к формированию кольца и пятна на основе оптоволокна, который позволяет полностью регулировать соотношение мощности, оставаясь при этом относительно простой, экономичной и понятной оптической концепцией. Метод основан на дифракционной оптике и состоит из внешнего оптического модуля, добавленного в систему.

Подход представляет собой хорошее решение для интеграторов лазерных систем, у которых уже есть волоконные лазеры мощностью в несколько кВт и которые хотят модернизировать свою сварочную систему за счет новых возможностей, а также для разработчиков новых сварочных систем, которые стремятся к производительности, которую невозможно обеспечить с помощью решений для формирования уровня мощности волокна. Преимущества использования предлагаемого модуля формирования перевешивают недостаток добавления другого компонента.

Текущая концепция представляет собой пересмотренную версию концепции кольца на основе субапертуры с регулируемым формирователем центрального пятна, которая в большей степени оптимизирована для применения с улучшенным режимом расфокусировки, совместимым с допусками при лазерной сварке.

Дифракционный регулируемый формирователь кольца и пятна

Решение для дифракционного формирования состоит из двух идентичных бинарных дифракционных элементов, также называемых фазовыми пластинами, расположенных на одной оптической оси. Круглое прозрачное отверстие каждого элемента разделено на четное число азимутальных сегментов. Половина сегментов – это прозрачные области, в то время как другая половина выполняет оптическую функцию дифракционного бинарного аксикона с высотой шага, эквивалентной π радианам.

Регулировка соотношения мощностей между кольцом и центральным пятном достигается вращением одной из фазных пластин относительно другой. В случае, когда вращение между пластинами равно нулю, как показано на рисунке (1(а)), области накладываются друг на друга, что приводит к фазовой задержке в 2π для света, проходящего через эти области. Фактически это означает, что общая фаза равна нулю, а лазерный пучок остается незатронутым, в результате чего 100% энергии направляется в центральное пятно.

В случае, когда вращение происходит в виде полного сегмента, как показано на рисунке (1(с)), сегменты не перекрываются, и результирующая фаза является фазой бинарного дифракционного аксикона, что приводит к генерации кольца без мощности в центральном пятне.

Промежуточные состояния вращения между этими двумя состояниями приводят к тому, что часть энергии поступает в кольцо, в то время как остальная ее часть поступает в центральное пятно в плавно регулируемом соотношении, определяемом углом поворота. На рисунке (1(b)) представлен пример такого состояния.

Общая эффективность передачи энергии в центральном пятне и кольце непрерывно изменяется от ~100 % только в центральном пятне до ~80% только в кольце. Потери эффективности приводят к более высоким порядкам дифракционного пропускания и проявляются в виде вторичных колец под большими углами.

Полный диапазон изменений происходит при угле поворота, равном одному угловому сегменту, в представленном случае 15°, и является периодическим (т.е. продолжение вращения изменило бы соотношение таким же образом). Мощность в центральном пятне изменяется, как показано на рисунке 2, в нелинейной зависимости от угла поворота.

Преимущества метода дифракционного формирования кольца

Подход, основанный на дифракции, обладает многими преимуществами по сравнению с решениями на основе волокон, доступными сегодня на рынке. Это позволяет полностью контролировать соотношение мощности между пятном и кольцом, в отличие от решений на основе оптоволокна, которые имеют более ограниченную настраиваемость, и обладает дополнительными преимуществами.

Благодаря простоте концепции этот модуль может быть адаптирован для работы с большими пучками (диаметром 15-22 мм), которые обычно используются с лазерами мощностью в несколько кВт. Оптические элементы могут быть установлены в готовые поворотные крепления с ручным или моторизованным приводом для создания оптического модуля.

Такой модуль может быть размещен на оптической оси после лазерного коллиматора или, что еще лучше, непосредственно на входе в лазерную головку или сканирующую систему. Эти конфигурации позволяют сварочной оптике оставаться такой же, как и при использовании стандартного многомодового волоконного лазера, без необходимости учитывать большую числовую апертуру и требуемую более крупную и дорогостоящую оптику, как в случае кольцевых волоконных лазеров.

Полный диапазон регулировки занимает несколько миллисекунд благодаря моторизованной ступени вращения, что позволяет при необходимости регулировать интенсивность в процессе работы. Однако в типичном случае возможность регулировки соотношения мощностей важна только на этапе оптимизации процесса сварки.

После определения параметров процесса регулируемый модуль формирования кольца и пятна может быть заменен одним пассивным модулем дифракционных оптических элементов с индивидуальным соотношением мощности кольца и пятна, оптимальным для конкретного процесса сварки, что представляет собой еще более компактное и экономичное решение для формирования.

Преимуществом также является возможность работы с одномодовыми лазерами. В отличие от волоконных лазеров с кольцевым сердечником, где кольцо всегда является многомодовым и, следовательно, не может быть сфокусировано в маленькое пятно при разумной числовой апертуре, дифракционный модуль позволяет сформировать небольшое пятно, имеющее форму кольца и центральную интенсивность, обеспечивая при этом регулируемое соотношение. Эта возможность особенно полезна для микросварки с использованием одномодовых падающих лучей, поскольку часто фактором, ограничивающим скорость процесса, является не мощность одномодового волокна, а, скорее, бугристость, пористость и другие проблемы, которые устраняются за счет направления части мощности лазера на кольцо вокруг пятна.

Наконец, угол дифракционного кольца не чувствителен к размеру входного пучка и, таким образом, обеспечивает большую гибкость при формировании. Это связано с тем, что диаметр кольца постоянен, но его толщину и размер центрального пятна можно изменить, установив после коллиматора переменный телескоп или используя другой коллиматор, что является отличием от формирования колец на основе волокон, где толщина кольца в зависимости от центрального пятна фиксирована, поскольку геометрия волокна в основном просто отображается на рабочей плоскости.

Как уже говорилось, модуль формирования колец на основе дифракции обладает множеством преимуществ при сварке по сравнению с волоконным лазером кольцевой формы, являясь при этом простым, недорогим и надежным.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ