激光打標機預熱和熱透鏡效應


一、激光打標機需要預熱原因:

1、不預熱,光線不穩定,激光器要慢慢的達到一個平衡的出光值。

2、激光熱透鏡效應

 

 

對於光纖激光打標設備,激光器的隔離器頭輸出的激光會經過振鏡的偏轉和場鏡的聚焦后在焦點位置對材料進行打標。因此,熱透鏡效應主要在振鏡和場鏡上產生。

由於光學元件質量差、臟污、損壞等原因造成對激光吸收率增大,光學元件受激光束連續較長時間照射后,溫度升高產生熱變形,進而引起透過型光學元件的折射率和反射型光學元件的反射方向發生變化。熱透鏡效應會改變激光焦點(束腰)的位置,進而影響應用效果。

由於透過型光學元件對激光吸收率更高,溫度上升更大,因此熱透鏡效應更明顯。

1、振鏡熱透鏡效應的影響

振鏡主要由驅動板、伺服電機和X-Y光學反射鏡片組成。當反射鏡片的反射率低、介質中有雜質、表面污染時,鏡片受激光束照射會產生熱變形,平面反射鏡會變成凸面反射鏡,激光束經過這兩個反射鏡片后,輸出光斑變大,最后經過場鏡后聚焦光斑變小,焦深變短。

2、場鏡熱透鏡效應的影響

場鏡在光纖激光打標設備中對輸出光斑起到聚焦的作用,其特點是所有的焦點在一個水平面上。場鏡主要有凹凸透鏡組成,當透鏡組的透射率低、介質中有雜質、表面污染時,鏡片受激光束照射會產生熱變形,透鏡的聚焦能力變強,聚焦后的光斑變小、焦距和焦深變短。焦點不在一個水平面上,中心和邊緣打標效果不一致。

例如,氧化鋁打黑,當場鏡質量不好發生熱透鏡效應時,焦距變短,原來參數下打標,能量不夠,打標不黑,中心和邊緣效果不一致,需要重新調整焦點。

熱透鏡效應的產生會對光纖激光打標的穩定性產生影響,特別是對於敏感材料的標記尤為明顯。為了減小熱透鏡效應影響,可以采取如下措施:

1、選用質量好的振鏡和場鏡;

2、對振鏡和場鏡做日常的維護,防止鏡片的雜質污染;

3、對損傷的振鏡和場鏡進行更換;

4、對打標圖形置中,盡量使激光處於場鏡正下方打標;

 

光纖激光切割打標焊接機熱效應分析和改善

 光學透過型元件在激光連續照射時間較長后,由於溫度的升高,會產生熱變形,引起透射光學元件的折射率和反射光學元件的反射方向發生變化,熱透鏡效應會改變激光聚焦的位置,進而影響應用效果。
 
       對於脈沖光纖設備,激光從激光器的隔離器輸出后,主要經過紅光合束鏡片、振鏡和f-θ場鏡這些光學元件,由於透過型光學元件的熱透鏡效應更明顯,下面主要針對紅光合束鏡片、激光器與場鏡來分析一下。
 
       熱透鏡效應的影響
       當產生熱透鏡效應時,光學元件在熱作用下膨脹,聚焦能力變強,聚焦光斑尺寸變小,焦距和焦距深度變短,以上這些現象會導致打標不穩定,嚴重影響打標效果,通過脈沖光纖激光器的幾種典型應用,我們分析了熱透鏡效應的影響。
 
       1、氧化鋁打黑:
       當熱透鏡效應發生時,焦距變短,材料表面的能量密度降低,氧化鋁不能變黑。在嚴重的情況下,中心和邊緣的黑度效應是不一致的。
 
       2、金屬深雕:
       金屬深刻一般采用焦距較短的場鏡(焦深),高功率深刻時,由於熱透鏡的作用,材料的能量密度迅速下降,使金屬雕刻不深。因為光學元件的中心比邊緣更大,所以中心很淺,周圍的深度也不同。
 
       3、薄片切割:
       根據不同的材料,脈沖光纖激光切割板通常采用單個慢或多次的兩種方法,在很短的時間內(<1s)會發生熱膨脹和冷卻收縮,因此切割的起始位置可以切割,其他位置不能切割材料。
 
       4、金屬薄片焊接:
       對於高功率脈沖光纖激光焊接金屬片((熱透鏡效應會導致焊點尺寸不一致和拉伸力不足。
 
       熱透鏡效應的改善
       功率越高,反光材料越高,光學元件熱膨脹越快,熱透鏡越明顯。改進熱透鏡可以從激光、場透鏡和紅光透鏡三個方面入手
 
       1、激光器:
       並定期清潔激光器的輸出頭的激光保護鏡片,以避免雜質污染,同時准直器的光學透鏡使用石英材料來減小熱膨脹系數。
 
       2、場鏡:
       采用中、大功率(≥100W)脈沖光纖激光器,場鏡建議選用復合材料或石英材料;場鏡保護鏡應定期檢查清洗,避免雜質污染或損壞。
 

如何有效控制激光應用的熱透鏡效應

如何有效控制激光應用的熱透鏡效應

  什么是熱透鏡效應?當光學鏡片受激光束連續照射較長時間后,由於溫度升高產生熱變形,進而引起透過型光學元件的折射率和反射型光學元件的反射方向發生變化,導致焦點偏移,出現激光加工不穩定的情況。

 

  01熱透鏡效應在激光應用中的影響

  在激光應用中,熱透鏡效應會導致焦距和焦深變短,焦點位置偏移以及聚焦光斑發生變化,從而直接影響到打標的效果特別是金屬深雕、精密焊接、不銹鋼打彩和划線等應用。

  隨着加工功率越高,會導致場鏡受熱膨脹越迅速,熱透效應也越明顯。從而會影響到切割以及連續焊接的效果,出現底部熔渣增多,切割不斷等問題。

  02熱透鏡效應的解決方案

  由於光學元件質量差、臟污、損壞等原因都是造成的熱透鏡更加明顯的因素。而在實際的激光應用中,除了使用前對光學器件,零部件進行檢查清潔外,不同材料與質量的場鏡能有效的降低熱透鏡效應,下面將會通過幾組對比測試分析三款國產品牌的F160場鏡在熱透鏡效應和像差上的差異。

 

  03基於熱透鏡效應的場鏡對比測試

  測試方法

  我們主要測試了以上三款場鏡在單一應用環境下的對比,如下圖:

  ①滿功率在傾斜不銹鋼板上,從左往右標刻長條矩形

  ②測量出平行於不銹鋼表面方向的高度變化量F

  ③計算焦距變化L=(h2/h1)F

 

  測試結果

  三款場鏡在相同的條件下,焦點上移的距離是不同的,使用玻璃振鏡的上移距離最長,但兩款石英材質的場鏡上移距離短。

 

  在實際激光應用過程中,除了更換更好石英材質場鏡外,在不同的使用環境中,也應檢查各光學元件(如:輸出頭鏡片、准直器、合束鏡片等)的臟污,損壞情況,進行及時的清潔與更換。

 


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