Il modulo laser DOE a spot regolabile può essere utilizzato nella saldatura laser?

Modulo laser DOEproduce spot point-ring regolabili in energia che possono essere utilizzati per la saldatura laser. Ma come usarlo? Impariamo insieme la conoscenza!

La velocità di saldatura laser può essere regolata utilizzando la distribuzione dell'energia del laser dell'anello gaussiano del punto e l'effetto di saldatura laser dell'anello del punto può essere ottenuto regolando il processo di energia del punto dell'anello del punto, in modo da migliorare la velocità e l'effetto della saldatura. Ecco un nuovo e semplice concetto basato sulla diffrazione laser per realizzare la sagomatura del punto ad anello dei laser a fibra standard. Il metodo di modellatura laser ad anello gaussiano basato su DOE è costituito da due sole lenti DOE. È facile da usare e può controllare con precisione il rapporto energetico tra i punti e i punti luce anulari per aiutare gli utenti a trovare rapidamente l'effetto di saldatura ottimale. Il modulo può essere ruotato tra il 100% di energia del punto centrale e nessuna energia del punto centrale, può funzionare con laser monomodali e multimodali, è estremamente compatto (meno di 20 mm di lunghezza) e ha un'elevata soglia di danno indotto (LDT) di elementi diffrattivi passivi. Questo concetto evita la necessità di uno speciale laser a fibra laser ad anello gaussiano e semplifica notevolmente la progettazione della testa laser saldata.

La saldatura laser è una tecnologia ampiamente utilizzata in molti processi industriali nei settori automobilistico, navale, delle batterie e di altro tipo, in cui la velocità di saldatura diventa uno dei fattori limitanti del processo più critici in molte applicazioni di saldatura laser. L'elevata velocità di saldatura del laser sarà limitata da vari fenomeni fisici durante il processo di saldatura, come spruzzi, gobba e aumento della porosità della saldatura. Le limitazioni a questi processi di saldatura possono essere notevolmente ridotte quando si utilizza il metodo di saldatura laser point-ring. Per i diversi parametri di processo dei materiali di saldatura (come lo spessore del metallo, il tipo di metallo e la geometria), la saldatura laser point-ring richiede diversi rapporti di energia point-ring regolabili per fornire il miglior processo a velocità di saldatura elevate. Pertanto, per molti sistemi ottici, una soluzione di modellazione della potenza del fascio controllata e regolabile rappresenta un vantaggio comparativo.

Come mostrato nella Figura 1, in questo schema di sagomatura punto-anello, tre posizioni relative (a, b e c) di due DOE sono mostrate verso l'alto: gli angoli di rotazione relativi dei due DOE sono 0, 7,5, e 15 gradi rispettivamente. Il basso mostra la distribuzione dell'intensità associata a ciascuna direzione di rotazione in alto: (d) in cui tutta la potenza è concentrata nel punto centrale, (f) in cui tutta la potenza è concentrata nell'anello, mentre (e) è la posizione dove l'energia di un anello a punto regolabile è distribuita proporzionalmente, con parte dell'energia che è parte nel punto centrale e parte nell'anello circostante.

Nella modellatura del laser ad anello gaussiano, basata sullo schema del rapporto di energia del punto dell'anello del punto regolabile della fibra, il metodo più comune di modellatura del punto dell'anello del punto consiste nell'utilizzare uno speciale laser in fibra multimodale, che ha un doppio o tre core, il centro il nucleo è circondato da uno o due nuclei ad anello simultanei e ciascun nucleo può impostare separatamente la propria potenza laser. In questo modo è possibile regolare la potenza del punto luminoso centrale e del punto luminoso anulare circostante. Rispetto ai comuni laser a fibra multimodale ad alta potenza, questo sistema laser presenta complessità e costi maggiori. In secondo luogo, l'elevata apertura numerica (NA) di una tale fibra a forma di laser ad anello gaussiano implica la necessità di un collimatore speciale, che spesso richiede un componente ottico più grande rispetto al componente ottico saldato standard dei laser a fibra attualmente in uso. Infine, c'è spesso un limite al rapporto tra le macchie centrali e quelle anulari. Nella saldatura laser punto-anello, per ottenere più potenza al giunto di saldatura, è generalmente necessario aumentare la potenza all'interno dell'anello. La maggior parte della potenza va nel punto centrale e solo una piccola parte va nel punto dell'anello, quindi in questo caso non è possibile utilizzare la piena potenza del laser a meno che non venga utilizzato un rapporto del nucleo della fibra personalizzato.

Questa figura descrive un metodo alternativo di spot point-ring basato sulla modellatura laser ad anello gaussiano in fibra, che ottiene un effetto di saldatura laser point-ring, consente la regolazione completa del rapporto di potenza ed è anche un sistema ottico semplice, economico e diretto. Basato sull'ottica diffrattiva, questo metodo ha fornito una buona soluzione alle dimensioni dello spazio del sistema di un sistema laser a fibra multi-kilowatt e supera lo svantaggio di aggiungere un altro componente al sistema ottico.

Lo schema di modellazione della diffrazione è costituito da due elementi di diffrazione identici DOE, noti anche come piastre di fase, posti sullo stesso asse ottico. Ruotando un piatto di fase sull'altro, è possibile ottenere il ritardo di fase tra l'anello e il punto centrale. Quando la rotazione tra le piastre di fase è zero e tra segmenti completi, la fase totale si sovrappone in parte, come mostrato nella Figura 1b, con conseguente parte dell'energia che entra nell'anello, mentre il resto dell'energia che entra nel punto centrale, la proporzione di che può essere regolato continuamente.

L'efficienza complessiva del trasferimento di energia di un punto punto-anello varia dal 100% per un singolo punto centrale all'80% per un singolo anello. L'efficienza si perde con ordini di trasmissione di diffrazione più elevati e appare come un anello di secondo ordine ad angoli più alti. L'intero intervallo di variazione si verifica in corrispondenza di un angolo di rotazione, pari a un segmento di angolo. La variazione di potenza del punto centrale è mostrata nella figura 2, che ha una relazione non lineare con l'angolo di rotazione.

L'ottimizzazione dell'energia spot punto-anello regolabile è molto importante nella saldatura laser punto-anello. Una volta determinati i parametri di processo, i moduli toroidali e a punta regolabili possono essere sostituiti da un singolo DOE passivo, il cui rapporto di potenza toroidale/a punta personalizzato è considerato la scelta migliore per un particolare processo di saldatura. Ciò fornisce una soluzione ortopedica più compatta ed economica. Questa classe di metodi basati sulla diffrazione basati su Do offre il pieno controllo sul rapporto di potenza tra gli anelli spot rispetto alle soluzioni in fibra ottica attualmente sul mercato, a differenza delle soluzioni in fibra ottica con sintonizzabilità più limitata. Questo modulo può essere adattato per fasci di grandi dimensioni (15-22 mm di diametro) normalmente utilizzati per laser multi-kilowatt, ovvero l'elemento ottico può essere montato su un supporto rotante manuale o elettrico standard per formare un modulo ottico . Tali moduli possono essere posizionati sull'asse ottico dietro il collimatore laser, o ancora meglio, direttamente all'ingresso della testa laser o del sistema di scansione. Queste configurazioni consentono alle ottiche saldate di essere coerenti con quelle utilizzate nei laser in fibra multimodale standard senza la necessità di tenere conto di NA più grandi e delle ottiche più grandi e più costose richieste come nei laser in fibra ad anello. L'intera gamma di regolazione deve essere raggiunta solo manovrando la tavola rotante per alcuni secondi per completare la regolazione del rapporto di energia del punto anulare del punto regolabile. Inoltre, è particolarmente utile per la microsaldatura utilizzando un raggio incidente monomodale, poiché i fattori che limitano la velocità di lavorazione tendono a non essere la potenza della fibra monomodale, ma piuttosto la gobba, la porosità e altri problemi che possono essere ridotta trasferendo parte della potenza del laser alla regione anulare attorno allo spot. Inoltre, l'angolo dell'anello della sua soluzione di diffrazione è insensibile alla dimensione del raggio di ingresso, fornendo maggiore flessibilità per la modellatura. Pertanto, la modalità di sagomatura punto-anello basata sulla diffrazione offre molti vantaggi per la saldatura laser e, allo stesso tempo, è semplice, economica e robusta.

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