環(huán)形光斑光纖激光器優(yōu)化金屬激光切割工藝：不銹鋼薄板切割效率更高，碳鋼厚板切割質(zhì)量更佳

作者：王錦軍 上海飛博激光科技有限公司

光纖激光器由于光電轉(zhuǎn)換率高，運(yùn)行和維護(hù)成本低，易于集成等優(yōu)勢(shì)，從2010年開始在激光切割應(yīng)用中逐漸取代了YAG棒狀激光器和CO2氣體激光器。2015年，全球范圍內(nèi)材料加工領(lǐng)域中的光纖激光器訂單額首次超過了CO2激光器，成為一個(gè)里程碑事件。此后，光纖激光器在切割中替代CO2激光器的進(jìn)程更加迅速。隨著500W~6000W國(guó)產(chǎn)光纖激光器的成熟，光纖激光器已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)工業(yè)激光切割機(jī)的主流激光器。

激光切割金屬過程

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射金屬材料，被照射的金屬材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，再借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而將工件割開。但是，在激光切割板厚度較大時(shí)，如5mm以上，割縫前沿和側(cè)邊會(huì)發(fā)生多次反射，且由于割縫底部的傾角增加，底部反射點(diǎn)處對(duì)激光的吸收也增加，容易造成割縫前沿中下部局部過熱。

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圖1 激光切割時(shí)的割縫? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2 激光切割厚板時(shí)割縫前沿和側(cè)面激光多次反射

以厚板碳鋼的切割斷面為例，切割斷面可以分為三個(gè)區(qū)域：

??最上層：光束直接穿透區(qū)域，表現(xiàn)為精細(xì)且垂直的條紋；

??中間層：擱架狀區(qū)，大部分光束在該區(qū)域被材料吸收；

??最下層：沖刷區(qū)，過熱的熔融物從此區(qū)域流出切縫，并帶走較多的熔化材料

圖3 ??3000W切割22mm碳鋼較好的切割斷面

由于激光在割縫中間層發(fā)生多次反射造成局部過熱，最終會(huì)導(dǎo)致切割斷面粗糙，甚至出現(xiàn)類似彈孔的缺陷。對(duì)于碳鋼切割，缺陷一般會(huì)在中間層產(chǎn)生。

圖4 3000W切割22mm碳鋼較差的切割斷面

焦平面光斑能量分布類型

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圖5 從左至右分別為焦平面上高斯光斑、平頂光斑和環(huán)形光斑的激光能量分布示意圖

激光器的切割能力和激光能量分布緊密相關(guān)。常見的激光能量分布形式有高斯，平頂，以及本文提到的新的環(huán)形。圖5中光斑區(qū)域能量密度從高到低依次是：紅色，黃色，綠色，藍(lán)色。經(jīng)過實(shí)際的切割驗(yàn)證，其切割能力特點(diǎn)如下：

表1 不同類型光斑的光纖激光器切割能力對(duì)比

環(huán)形能量分布光斑對(duì)激光切割能力的優(yōu)化

對(duì)于切割版平頂光斑的3000W激光器而言，采用50μm光纖芯徑可以提升薄板的切割速度；但為了提升厚板切割能力，又需要增大光纖芯徑。目前市場(chǎng)上的3000W激光器通常采用100μm光纖芯徑，而采用此類型的光纖芯徑會(huì)降低薄板的切割速度。如何同時(shí)兼顧薄板和厚板的不同切割需求？這對(duì)激光器而言是一道技術(shù)難關(guān)。

環(huán)形光斑中心能量密度較低，可減少?gòu)椏谞钋懈钊毕?，提升厚板切割能力（包括切割速度和切割質(zhì)量）。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上采用50μm的光纖芯徑，可提高對(duì)薄板的切割能力。因此，通過優(yōu)化激光能量分布，可大幅度提升對(duì)金屬薄板和厚板的切割能力。

薄板不銹鋼切割效率更高

激光切割不銹鋼時(shí)通常采用氮?dú)廨o助的熔化切割工藝。在激光熔化切割薄板金屬的過程中，金屬材料吸收激光能量后轉(zhuǎn)化成熱能，從而被熔化，并向切縫周邊傳導(dǎo)小部分熱量。從熱平衡理論計(jì)算，忽略損失的傳導(dǎo)熱量，熔化切割具有如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

P=K*(t*v*ω)

其中，P代表材料吸收的激光功率；K是一個(gè)由板材決定的固定數(shù)值；t代表板材厚度，v代表切割速度，ω代表切縫寬度。從中可以看出，在吸收的激光功率一定的情況下，切縫寬度ω越小，切割速度越快。采用高光束質(zhì)量激光切割薄板時(shí)，切縫寬度ω可以達(dá)到極小值，因此在吸收相同激光能量的情況下，高光束質(zhì)量的環(huán)形光斑激光器可以實(shí)現(xiàn)更高效切割。采用50μm細(xì)芯徑的光纖，可獲得更小的匯聚光斑，實(shí)現(xiàn)極高的光功率密度，相比于普通的100μm芯徑的平頂光斑激光器，相同功率下環(huán)形光斑激光器可以大幅提升薄板切割速度。表1對(duì)比了環(huán)形光斑和平頂光斑3000W激光切割304不銹鋼薄板的速度?？梢钥闯?，相較于普通平頂光斑3000W激光器，環(huán)形光斑3000W激光器切割1mm不銹鋼板速度提升約50%；切割2mm不銹鋼板速度提升約60%。

表2 環(huán)形光斑和平頂光斑3000W激光切割304不銹鋼薄板速度對(duì)比

厚板碳鋼切割質(zhì)量更好

碳鋼厚板切割一直是光纖激光器在切割上的應(yīng)用難點(diǎn)。影響碳鋼切割的因素比較多，除了如氣體純度、切割頭準(zhǔn)直聚焦特性、噴嘴類型等，激光束焦平面光斑的能量分布也有重要影響。對(duì)光斑能量分布進(jìn)行優(yōu)化后，20mm及以上厚度的碳鋼板的切割斷面質(zhì)量有了較大的提升。

圖6 平頂光斑3000W和環(huán)形光斑3000W切割斷面對(duì)比

環(huán)形光斑3000W激光器切割碳鋼厚板時(shí)，不僅切割斷面質(zhì)量更佳，切割速度也有提升。

表3 環(huán)形光斑和平頂光斑3000W激光切割Q235碳鋼中厚板速度對(duì)比

結(jié)論

目前光纖激光器已經(jīng)成為激光切割設(shè)備的首要選擇。環(huán)形光斑顯著提升了3000W光纖激光器的切割能力，其不僅提高了薄板的切割速度，厚板的切割斷面質(zhì)量也獲得了大幅提高，而這兩方面對(duì)提高激光切割機(jī)終端用戶的生產(chǎn)效率和利潤(rùn)率大有裨益?？梢灶A(yù)計(jì)，環(huán)形光斑光纖激光器將日益受到激光切割機(jī)制造商和終端用戶的青睞，未來可期。