超脉冲技术在连续Nd:YAG激光切割中的应用
1.概述
最近几年，GSI集团激光事业部在泵浦Nd: YAG光源的研发和应用方面进行了多项原创性研究，以发挥其最大性能。研发工作主要集中在大功率（400～2000W）、连续波长（CW）的激光系统。该系统除连续波长模式外，还可以工作在脉冲或可调输出功率模式下，与传统连续模式相比，峰值功率可提高两倍。GSI集团首先在20世纪90年代初提出这项技术，并成功地在焊接和切割领域获得应用。
Nd: YAG激光（CW）输出功率稳定，并且可以在平均功率的10%～ 100%范围内可调。GSI集团特有的SuperModulationTM（超脉冲）技术能够在无激光输出或在低平均功率时将部分能量储存在激光电源中，然后在激光输出或高平均功率时将能量传递到工作介质上，而产生如表1所示的两倍的峰值功率输出。因此，SM激光可以像其他激光一样工作在连续波长模式下，并且能够在峰值功率高于额定功率的情况下产生方波、正弦波或其他重复性输出，而此时仍可实现平均功率的全额输出。例如，矩形波输出暂载率为50%时，在激光的脉冲“接通”时间，输出功率值能够达到连续波长模式下的200%，因此平均输出功率和激光的全定额功率相等。典型的激光输出如图1所示。某些时候并不需要200%的激光调节，这取决于激光聚焦斑点的尺寸、和表面形成的夹角、所切割材料的厚度、合金的种类以及材料表面的电镀和镀锌涂层等因素。在切割镀锌钢板和铝合金等汽车工业所需的材料时，由于峰值功率的瞬间增长，使超脉冲激光具有一些特殊的优势。
图1 超脉冲模式下的方波和正弦波波形
接下来的内容我们会选择部分优点加以阐述。这些技术上的改进大体分为以下三类：
（1）更高的切割速度。
（2）和材料表面呈锐角切割。
（3）挂渣减少和更好的切割边缘质量。
采用超脉冲激光切割不同厚度的镀锌钢板和铝合金，结果表明超脉冲技术可以在保证切割速度、切割质量的同时，减少不可控的材料燃烧。此外，在切割铝合金和镀锌钢板时，切割偏差分别减少100%和400%，并且增加铝合金的切割厚度。当切割复杂形状的零件时，在保证切割质量、峰值功率不降低的情况下使平均输出功率降低。
超脉冲激光的应用领域包括：汽车车身焊缝清理；液压成形管材的切割和打孔。
2.试验条件
试验的对象是镀锌钢板和铝合金。研究对象是连续波长输出和超脉冲输出两种切割模式下的切割速度、边缘质量和挂渣程度。具体的切割参数见表2。
3.结果和讨论
（1）镀锌钢板 方波超脉冲技术通过引起更多的吸收来提高切割效率，并且使烧蚀前沿更加整齐，并和材料表面垂直。当切割2mm以下钢板时，SM模式速度比连续输出模式快，这在切割镀锌钢板时效果尤其显著。连续波长输出模式下，锌镀层会与母体材料发生反应，这就是为什么镀层越厚、钢板越薄，切口质量就会越差的原因。从图2可以看出，连续波长输出模式下，在厚度值的中间范围，切割速度有一反常的下降。这应该是锌镀层沸腾挥发造成激光束发散或降低了基体对热量的吸收。超脉冲技术使切割速度更快，因为两个峰值功率之间存在迟滞时间，所以挥发的烟尘在下一个峰值到来之前被驱散。图2是切割1.5mm厚镀锌钢板的速度比较，切割同样材料时孔洞的背部质量比较见图3。
图2 镀锌钢板切割速度和材料厚度关系
图3
（2）和表面呈锐角切割 当切割钢管等三维工件时，很多情况下切割位置只能和工件表面呈锐角，如钢管管端切割和板材弯曲处的切割。一个典型的实例是汽车工业用液压成形钢管的切割（如图4所示）。
图4 液压成形钢管切割
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