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淺談金屬激光切割機的關鍵技術

 激光切割的優點之一是光束的能量圓鋸機密度高,一般>10W/cm2。由於能量密度與4/πd2成正比,所以焦點光斑直徑盡可能的切割機小,以便產生一窄的切縫;同時焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。但切割有飛濺,透鏡離工件太近容易將透鏡損壞,因此一般大功率CO2激光切割工業應用中廣泛采用5”~7。5”(127~190mm)的焦距。實際焦點光斑直徑在0。1~0。4mm之間。對於高質量的切割,電離子切割機有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5”的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的2%範圍內,即5mm左右。因此控制焦點相對於被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質植釘機自動化設備、切割速度等因素,原則上<6mm的金屬材料,焦點在表面上;>6mm的碳鋼,焦點在表面之上;>6mm的不鏽鋼,焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。

在工業生產中確定焦點位置的簡便方法有三種打印法:使切割頭從上往下運動,在塑料板上進行激光束打印,打印直徑最小處為焦點。斜板法:用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動,尋找激光束的最小處為焦點。藍色火花法:去掉噴嘴,吹空氣,將脈衝激光打在不鏽鋼板上,使切割頭從上往下運動,直至藍色火花最大處為焦點。

對於飛行光路的切割機,由於光束發散角,切割近端和遠端時光程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的潛伏焊設備直徑越大,焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化,國內外激光切割系統的制造商提供了一些專用的裝置供用戶選用:平行光管,這是一種常用的方法,即在CO2激光器的輸出端加一平行光管進行擴束處理,擴束後的光束直徑變大,發散角變小,使在切割工作範圍內近端和遠端聚焦前光束尺寸接近一致。在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸,它與控制噴嘴到材料表面距離(standoff)的Z軸是兩個相互獨立的部分。當機床工作台移動或光軸移動時,光束從近端到遠端F軸也同時移動,使光束聚焦後光斑直徑在整個加工區域內保持一致。

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