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多物理过程模拟分析动态光束激光焊接

星之球科技 来源:国际工业激光商情2022-03-29 我要评论(0 )   

维也纳技术大学(TU Wien)的激光专家与以色列激光器制造商Civan Lasers合作,模拟其颠覆性的动态光束激光技术。作为第一个也是唯一一个能够对动态光束激光器的兆赫级频率...

维也纳技术大学(TU Wien)的激光专家与以色列激光器制造商Civan Lasers合作,模拟其颠覆性的动态光束激光技术。作为第一个也是唯一一个能够对动态光束激光器的兆赫级频率进行建模的多物理场仿真软件,这项工作提高了对光束整形激光器如何影响小孔和熔池动力学控制的理解。


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“Civan Lasers的光束整形能力为在当今许多具有挑战性的应用中,为提高焊接质量和速度开辟了新的可能性,”TU Wien生产工程和光子技术研究所教授Andreas Otto说,“这是一项非常重要的发展,它将塑造激光材料加工技术的未来,甚至开辟全新的应用发展。”


该仿真工具提供了对每个光束形状和频率对小孔和熔池动力学影响的独特见解,将在工艺开发中发挥关键作用,帮助优化各种激光材料加工应用的光束形状和频率。目前的模拟主要集中在有间隙的不锈钢管的对焊上。未来的合作将针对涉及多种材料的其他焊接、钻孔和表面处理应用。


以对接结构焊接不锈钢管尤其具有挑战性。切割管前端的有限精度加上夹紧系统的限制导致了很小的间隙(大约几十微米,最多几百微米)。这种依赖于标准静态激光源的焊接工艺在没有使用填充材料的情况下,结果是在接缝处出现缝隙和焊缝质量下降。


为了提出解决方案,Civan Lasers对其动态光束激光器进行了试验,然后与TU Wien合作模拟了该过程。结果是更好地理解了为什么某些光束形状比其他形状更好用。该模拟还有助于设计替代光束形状,并导致制定有关如何为此类情况设计合适的光束形状的一般指南。


虽然目前的光束整形解决方案(例如衍射光学元件)无法即时更改,但近年来通过扫描仪和二合一光纤使用光束振荡已导致工艺改进。然而,这样的机械扫描仪通常不能足够快地改变以最小化锁孔不稳定性问题。相比之下,Civan Lasers获得专利的相干光束组合可在兆赫频率下根据需要调制光束形状,而无需任何移动部件。


Civan Lasers的激光器使用光学相控阵相干光束组合,将许多单模激光束合并成一束更大的光束。每个激光器发射自己的光,与远场中的其他光束重叠以创建衍射图案,从而释放实时轻松操纵光束形状以创建动态光束激光所需的灵活性。通过使用相位调制器来控制单个光束,可以改变产生的干涉图案以最大化光束点位置并产生由光束运动所刻印的各种形状图案,所有这些都可以在高达数百兆赫的速度下完成。


“我们有一个非常强大的工具,可以对许多参数进行复杂的控制,例如光束形状、形状频率、形状排序和焦点转向,”Civan Lasers首席执行官 Eyal Shekel 博士解释说,“到目前为止,我们一直在使用基础理论、直觉和经验来指导我们进行流程优化。”


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