焦点处光束品质对激光切割的影响

新闻动态 | 2019-01-09 14:49

焦点处光束品质对激光切割的影响

当前大功率激光切割的应用领域越来越广泛,由于其在材料加工上的显著优势,大有替代传统机床的趋势。不过相较于传统机床, 激光切割机在切口质量上也并非完美, 如切口宽度存在倾斜角、上宽下窄、切缝侧壁粗糙度不一,上小下大等问题。这些现象的产生和加工激光焦点处的光束品质有着密不可分的关系。事实上, 很多时候激光焦点处的光束品质对加工质量起着决定性作用。下面将探讨焦点的光束品质对加工切口质量的影响。

对于激光切口质量的评估有以下几项指标:切口宽度、切割面倾斜角、切割面的粗糙度及粘渣等。(图1为这几项指标的示意图)

    (1)切口宽度

激光切割金属材料时的切口宽度,与光束模式及聚焦后的光斑直径有直接的关系。以低碳钢为例,切割薄板时,焦点位置一般设置在工件上表面,切口宽度和光斑直径大致相等;切割中厚板时,焦点位置如果仍然设置在工件上表面,随着切割深度的增加,离焦量也逐步增大,光斑越来越大,功率密度降低,切割速度下降,会形成上宽下窄的楔形切口。

(2) 切割面的倾斜角

切割面的倾斜角主要和作用在工件上的激光功率密度相关,所以控制每个面的功率密度的微小变化,是减小倾斜角的必要条件。

   (3)切割面的粗糙度

影响切割面粗糙度的因素较多,除了光束模式和切割参数外,还有激光功率密度、工件材质和厚度。图2分别是光束模式和激光功率对应的切割面粗糙度关系。

由于焦点处功率密度非常高, 目前的测量手段主要是采用分光或滤光片衰减等方式, 能够直接测量焦点光斑的参数的光束品质分析仪非常少。 这里采用FocusMonitor光束品质分析系统来测量和分析焦点光束品质。FocusMonitor系统可以直接测量整个束腰的诸多参数, 比如焦点位置、焦点大小、功率密度、发散角、光斑模式、瑞利长度,M2等(见图3)。

光束模式是整个光路系统聚焦能力的集中体现, 最低阶模TEM

00

是理想的光束模式, 能量呈高斯分布, 焦点中心处能量密度最高, 如同一把锋利的刀。 而高阶模或者多模, 能量密度分散, 对于激光切割来说, 就如同一把钝刀。

图4中, 左边的光束模式接近于TEM00模,会得到较好的切割效果;右图为多模, 应用于焊接效果较好。

      激光切割的切口究度同光束模式和聚焦后光斑直径有很大的关系。由于激光功率密度和能量密度都与激光光斑直径有关,为了获得较大的功率密度和能量密度,在激光切割加工中,光斑尺寸要求尽可能小。而光斑直径的大小, 主要取决于激光器输出的光束直径及其发门散角的大小, 同时与聚焦透镜的焦距有关。 与激光功率密度相关的参数有光斑直径、 发散角, 瑞利长度(焦深)、 光束模式和激光功率输出稳定性等, 可以一次扫描, 全部显示出这些参数, 使用方便,如图5所示。

      获得束腰不同位置的功率密度,可以找到切割头最佳的工作范围, 对于选择正确的离焦量有很大帮助。

关于离焦量, 则涉及到了另一个重要参数:焦点位置。激光切割时的焦点位置对割缝宽度和表面粗糙度会产生很大影响。激光切割时辅助气体的气流密度梯度场造成的再聚焦光束,在切割起始时, 可能使焦点位置在工件表面以下, 随着加工的进行, 焦点逐渐移至接近表面。焦点位置的变化对切割质量具有较大的影响(见图6)。

图6所示为焦点位置的变化对切缝宽度的影响, 可以看出, 当切割焦点位置位于工件表面以下 (约1/3板厚) 时, 可以获得最大的切割深度和最小的割缝宽度。找到焦点位置, 结合束腰中不同面的功率密度, 可以选择最佳的起始焦点位置, 从而保证工作范围内的功率密度值处于最大值附近。

    “工欲善其事, 必先利其器”, 对焦点光束品质相关参数有了第一手的实测数据, 才能精确控制切割品质。