Le module laser Spot DOE réglable peut-il être utilisé dans le soudage au laser ?

Module laser DOEproduit des points annulaires à énergie réglable qui peuvent être utilisés pour le soudage au laser. Mais comment l'utiliser ? Apprenons les connaissances ensemble !

La vitesse de soudage au laser peut être ajustée en utilisant la distribution d'énergie laser à anneau gaussien ponctuel, et l'effet de soudage laser à anneau ponctuel peut être obtenu en ajustant le processus d'énergie ponctuelle de l'anneau ponctuel, de manière à améliorer la vitesse et l'effet de soudage. Voici un concept nouveau et simple basé sur la diffraction laser pour réaliser la mise en forme des points en anneau des lasers à fibre standard. La méthode de mise en forme laser en anneau gaussien basée sur DOE se compose de seulement deux lentilles DOE. Il est facile à utiliser et peut contrôler avec précision le rapport d'énergie entre les points et les spots lumineux annulaires pour aider les utilisateurs à trouver rapidement l'effet de soudage optimal. Le module peut être tourné entre 100% d'énergie du point central et aucune énergie du point central, peut fonctionner avec des lasers monomodes et multimodes, est très compact (moins de 20 mm de long) et a une haute Laser- seuil de dommage induit (LDT) des éléments diffractifs passifs. Ce concept évite le besoin d'un laser spécial à fibre laser à anneau gaussien et rend la conception de la tête laser soudée beaucoup plus simple.

Le soudage au laser est une technologie largement utilisée dans de nombreux processus industriels dans l'automobile, la construction navale, les batteries et d'autres industries, dans lesquelles la vitesse de soudage devient l'un des facteurs limitant les processus les plus critiques dans de nombreuses applications de soudage au laser. La vitesse de soudage élevée du laser sera limitée par divers phénomènes physiques au cours du processus de soudage, tels que les projections, les bosses et la porosité accrue de la soudure. Les limitations de ces procédés de soudage peuvent être considérablement réduites lors de l'utilisation de la méthode de soudage laser point-ring. Pour différents paramètres de processus des matériaux de soudage (tels que l'épaisseur du métal, le type de métal et la géométrie), le soudage laser point-anneau nécessite différents rapports d'énergie point-anneau réglables afin de fournir le meilleur processus à des vitesses de soudage élevées. Par conséquent, pour de nombreux systèmes optiques, une solution de mise en forme de puissance de faisceau contrôlée et réglable est un avantage comparatif.

Comme le montre la figure 1, dans ce schéma de mise en forme de point-anneau, trois positions relatives (a, b et c) de deux DOE sont indiquées vers le haut : les angles de rotation relatifs des deux DOE sont 0, 7,5, et 15 degrés respectivement. Le bas montre la distribution d'intensité associée à chaque sens de rotation dans le haut : (d) dans lequel toute la puissance est concentrée au point central, (f) dans lequel toute la puissance est concentrée sur l'anneau, tandis que (e) est l'emplacement où une énergie d'anneau de point réglable est distribuée proportionnellement, une partie de l'énergie étant en partie au point central et en partie au niveau de l'anneau environnant.

Dans la mise en forme laser en anneau gaussien, basée sur le schéma du rapport d'énergie de point d'anneau de point réglable de la fibre, la méthode la plus courante de mise en forme de point d'anneau de point consiste à utiliser un laser à fibre multimode spécial, qui a un double ou trois noyaux, le centre Le noyau est entouré d'un ou deux noyaux annulaires simultanés, et chaque noyau peut régler sa puissance laser séparément. Ainsi, la puissance du spot lumineux central et du spot lumineux annulaire environnant peut être ajustée. Comparé aux lasers à fibre haute puissance multimodes courants, ce système laser a une complexité et un coût plus élevés. Deuxièmement, l'ouverture numérique (NA) élevée d'une telle fibre en forme de laser à anneau gaussien implique la nécessité d'un collimateur spécial, nécessitant souvent un composant optique plus grand que le composant optique soudé standard des lasers à fibre actuellement utilisés. Enfin, il y a souvent une limite au rapport entre les taches centrales et annulaires. Dans le soudage laser point-ring, afin d'obtenir plus de puissance au niveau du joint de soudure, il est généralement nécessaire d'augmenter la puissance à l'intérieur de l'anneau. La majeure partie de la puissance va dans le point central et seule une petite partie va dans le point annulaire, de sorte que la pleine puissance laser ne peut pas être utilisée dans ce cas à moins qu'un rapport de noyau de fibre personnalisé ne soit utilisé.

Cette figure décrit une méthode alternative de point-anneau basée sur la mise en forme laser à anneau gaussien à fibre, qui permet d'obtenir un effet de soudage laser à point-anneau, permet un ajustement complet du rapport de puissance et constitue également un système optique simple, économique et direct. Basé sur l'optique diffractive, ce procédé a fourni une bonne solution à la taille de l'espace système d'un système laser à fibre de plusieurs kilowatts et surmonte l'inconvénient d'ajouter un autre composant au système optique.

Le schéma de mise en forme de diffraction se compose de deux éléments de diffraction identiques DOE, également appelés plaques de phase, placés sur le même axe optique. En faisant tourner une plaque de phase à l'autre, le retard de phase entre l'anneau et le point central peut être obtenu. Lorsque la rotation entre les plaques de phase est nulle et entre des segments complets, la phase totale se chevauche en partie, comme le montre la figure 1b, ce qui fait qu'une partie de l'énergie pénètre dans l'anneau, tandis que le reste de l'énergie pénètre dans le point central, la proportion de qui peut être ajusté en continu.

L'efficacité globale du transfert d'énergie d'un spot point-anneau varie de 100% pour un seul point central à 80% pour un seul anneau. L'efficacité est perdue pour les ordres de transmission de diffraction plus élevés et apparaît comme un anneau de second ordre à des angles plus élevés. Toute la plage de variation se produit à un angle de rotation, égal à un segment d'angle. La variation de puissance du point central est illustrée à la figure 2, qui a une relation non linéaire avec l'angle de rotation.

L'optimisation de l'énergie du spot point-ring réglable est très importante dans le soudage laser point-ring. Une fois les paramètres de processus déterminés, les modules toroïdaux et ponctuels réglables peuvent être remplacés par un seul DOE passif, dont le rapport de puissance toroïdal à ponctuel personnalisé est considéré comme le meilleur choix pour un procédé de soudage particulier. Ceci fournit une solution orthopédique plus compacte et économique. Cette classe de méthodes basées sur la diffraction à base de Do offre un contrôle total sur le rapport de puissance entre les anneaux ponctuels par rapport aux solutions à fibre optique actuellement sur le marché, contrairement aux solutions à fibre optique avec une accordabilité plus limitée. Ce module peut être adapté pour les grands faisceaux (15-22 mm de diamètre) normalement utilisés pour les lasers multi-kilowatts, c'est-à-dire que l'élément optique peut être monté sur un support rotatif manuel ou électrique standard pour former un module optique . De tels modules peuvent être placés sur l'axe optique derrière le collimateur laser, ou mieux encore, directement à l'entrée de la tête laser ou du système de balayage. Ces configurations permettent aux optiques soudées d'être cohérentes avec celles utilisées dans les lasers à fibre multimode standard sans qu'il soit nécessaire de tenir compte d'une NA plus grande et des optiques plus grandes et plus coûteuses requises comme dans les lasers à fibre en mode anneau. La plage complète de réglage ne doit être atteinte qu'en manœuvrant la table rotative pendant quelques secondes pour terminer le réglage du rapport d'énergie du spot annulaire à point réglable. De plus, il est particulièrement utile pour le micro-soudage utilisant un faisceau incident monomode, car les facteurs qui limitent la vitesse d'usinage ne sont généralement pas la puissance de la fibre monomode, mais plutôt la bosse, la porosité et d'autres problèmes qui peuvent être réduite en transférant une partie de la puissance du laser à la région annulaire autour du spot. De plus, l'angle d'anneau de sa solution de diffraction est insensible à la taille du faisceau d'entrée, offrant plus de flexibilité pour la mise en forme. Par conséquent, le mode de mise en forme de point-anneau basé sur la diffraction offre de nombreux avantages pour le soudage au laser, et en même temps, il est simple, peu coûteux et solide.

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