一种激光切割三级变焦快速穿孔方法

2014-07-08周庆周志兵

机械工程师 2014年9期

关键词：变焦光束焦点

周庆，周志兵

（江苏金方圆数控机床有限公司，江苏扬州 225127）

0 引言

激光实施切割的过程是先利用经聚焦的高功率密度激光照射加工材料，使被照射的材料迅速熔化、汽化，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，在工件上形成一个孔，然后运动系统带动切割装置或加工工件运动，从而实现切割。

1 传统激光切割穿孔过程分析

采用传统穿孔方式（如图1 所示）时，激光光束经普通反射镜折射到切割头中的聚焦镜上表面，激光光束经聚焦镜聚焦后通过割嘴照射在工件上，激光光束聚焦后形成一个焦点；割嘴离工件表面较近，约为1 mm，穿孔过程中的飞溅物容易粘附在聚焦镜片的下表面上，聚焦镜片污染后会立即降低切割质量甚至导致切割失败；另外传统穿孔方式激光光束聚焦后的焦点位置在工件上的位置恒定，在穿孔过程中随着板材未被打穿的部分减少，光束直径变大，能量不够集中，导致穿孔时间长，易爆孔。采用传统的穿孔方式会导致机床的加工效率低、切割零件易报废，聚焦镜片损耗高。

图1 传统激光切割穿孔过程

如图2 所示，传统激光切割穿孔方式由于割嘴距离工件较近，穿孔时易产生熔融材料飞溅出来，同时穿孔位置易产生过热及自燃烧现象，与扩散的辅助气体（氧气）接触，易爆孔导致穿孔失败。为了避免自燃烧现象，保证穿孔成功，需将激光光束穿孔功率降低，穿孔效率则相应降低。

2 三级变焦快速穿孔过程分析

图2 传统激光切割穿孔示意

我公司最新研发的激光切割三级变焦快速穿孔方法突破了原有观念的束缚，采用自适应镜片代替普通反射镜片，结合切割头的上下运动，同时实时调整光束穿孔功率和辅助气体压力，分三个步骤实现快速穿孔。

激光切割三级变焦快速穿孔过程如图3 所示。其中自适应镜片可通过输入可控稳定压力的气体控制镜片表面的曲率，改变激光光束反射后的传输状态，从而改变光束聚焦后的焦点位置，气压大小的变化与焦点位置的变化成线性关系。气压小于0.3 MPa 时，镜片表面为凹面，焦点会上移；气压等于0.3 MPa 时，镜片表面为平面，焦点处于零点；气压大于0.3 MPa 时，镜片表面为凸面，焦点会下移。

图3 激光切割三级变焦快速穿孔过程

第一步：辅助气体开启，切割头下行到喷嘴离工件表面约5 mm，激光光束经自适应镜(凸面镜状态)折射到切割头中的聚焦镜上表面，激光光束经聚焦镜聚焦后通过割嘴照射在工件上，激光光束聚焦后形成一个焦点，位于工件的表面上方附近。此时切割头属于抬起状态，割嘴离工件表面较远（5 mm），辅助气体在切割头下行之前开启，避免穿孔过程出光快于气体供应，大幅减少切割飞溅物对聚焦镜片的污染，由于切割头抬高，相应聚焦镜的位置也同时抬高，而初始穿孔需要焦点的位置在工件的表面附近，所以控制自适应镜的通气压力稳定在大于0.3 MPa的某个压力点，自适应镜处于凸面镜状态，聚焦后的焦点位置下移。在该步骤过程中，采用较大的光束穿孔功率以及较小的切割辅助气体气压穿孔一定时间（约0.3 s），在工件表面打出一个坑。

第二步：切割头上的喷嘴离工件表面保持约5 mm，通过改变自适应镜的气压，使其曲率变化，凸面比第一步时更大，激光束焦点的位置再下降4 mm（即焦点位置在工件上表面下4 mm 左右），以适应初始穿孔后工件材料逐渐变少的情况，在该步骤过程中，采用稍大的光束穿孔功率以及较小的切割辅助气体气压穿孔一定时间。

第三步：切割头下降，喷嘴离工件表面保持约1 mm，通过改变自适应镜的气压，使其曲率变化，形成平面状态，激光束焦点的位置上升到工件的上表面附近。在该步骤过程中，采用稍大的光束穿孔功率以及很小的切割辅助气体气压穿孔很短的时间，使孔穿透工件。该步骤主要为后续的切割做准备。

如图4 所示，光束在工件上打出一个坑后，辅助气体吹入坑中并反弹，不会聚集在工件表面附近，氧气不与工件接触，避免了自燃烧，从而可以使用更大的激光功率。