激光BPP 值与切割质量的关系研究

戴树晶，吴许祥，丁庆伟，陈金盛，卢 源，田 径

（1.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200；2.江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏 扬州 225200）

BPP（Beam-parameter product）是用来衡量光纤激光器光束质量的重要参数之一，它直接影响着精密加工和宏加工的质量[1]。BPP=ω0·θ，ω0是束腰半径，ω0=光纤芯径/2=r；θ 是远场发散角度，θ=α（mrad）。如图1 所示。BPP 可以直观地利用束腰大小和远场发散角求得。

图1 激光束腰半径和远场发散角示意图

例如：对于100μm 芯径激光器而言，BPP 值为3.0 时，ω0=100μm/2=0.05，此时α=3/0.05=60mrad=3.438°（1rad=180°/π=57.3°，1°=π/180≈0.01745 rad）。

对于目前使用较多的100μm 芯径激光发生器，其BPP 值一般在3.3～4.0 之间，其中ω0为恒定值。故当激光器BPP 值越大时，θ 发散角度越大；BPP 值越小时，θ 发散角度越小。

1 不同激光芯径对应不同BPP 值的范围

不同芯径的激光器，其光束质量BPP 值也有所不同，激光切割常用的激光器芯径为50～200μm。其BPP 值如表1 所示。

表1 不同芯径激光器的BPP 值

2 不同BPP 值对应激光能量分布模拟仿真研究

2.1 BPP=3.0

其非相干辐照图如图2 所示。

图2 非相干辐照图（BPP=3.0）

2.2 BPP=3.5

其非相干辐照图如图3 所示。

图3 非相干辐照图（BPP=3.5）

2.3 BPP=4.0

其非相干辐照图如图4 所示。

图4 非相干辐照图（BPP=4.0）

以6kW 激光器/F200 切割头为例，当BPP 值由3.0 增大到4.0 时，在离焦量=0 位置的光束分布，峰幅照度由1.1866×107watts/cm2降低到1.1553×107atts/cm2，以此说明在同等离焦量下，BPP 值越大，光斑直径越大，单位面积上的能量越小。

3 对碳钢板切割质量的影响

3.1 碳钢板切割的焦点要求

以碳钢板亮面切割为例。覆盖到板材表面光斑直径≥割嘴出气气流直径。同样的切割条件下，焦点越高，切割断面粗糙度越低，纹路越轻，效果越好。所以从理论上分析碳钢板切割的焦点要求：照射到板材表面光斑直径≥割嘴出气气流直径。但过高的焦点会导致激光烧坏割嘴，所以要根据实际情况，合理设置焦点位置。

3.2 实际切割效果要求分析

以12kW 激光器/F200 切割头为例，氧气切割25mm碳钢板，使用D1.6 割嘴，离焦量设定为+13mm。

当BPP 值=4.0，离焦量设定为13mm 时，切割间隙1.0mm，激光照射在板材表面的光束半径≈0.8337212，即光束直径≈1.6674424mm＞割嘴直径1.6mm，如图5 所示。此时碳钢板氧气切割效果较好，同时也可保证割嘴不被激光烧坏。

图5 NSC 光束模拟（BPP=4.0）

若BPP 值=3.3，离焦量设定为13mm 时，激光照射在板材表面的光束半径≈0.6132118，及光束直径≈1.2264236＜割嘴直径1.6，如图6 所示。此时碳钢板氧气切割效果不佳，纹路较重。

图6 NSC 光束模拟（BPP=3.3）

此时若想要BPP 值=3.3 时的碳钢板氧气切割效果与BPP 值=4.0 时一致，离焦量需要增大297.17319-292.09695≈5mm（13+5=18mm，PROCUTTER 切割头最高焦点位置为+15mm），如图7 所示。此时超出切割头调焦范围，需增加散热环工装增大离焦量。

图7 NSC 光束模拟（BPP=3.3）

4 对不锈钢切割质量的影响

4.1 不同功率激光器的不锈钢负焦切割能力上限

通常情况下，不锈钢切割分正焦脉冲和负焦满功率切割两种。

（1）使用正焦脉冲切割，切割效果稳定，对于直角的切割效果有显著提升，切割断面不容易分层，常用于对较厚不锈钢的切割，但切割面下表面纹路较为粗糙，且因为使用脉冲切割，减少能量吸收，故切割速度较慢。

（2）使用负焦满功率切割，切割速度较快，切割面纹路均匀，断面较好，但切割能力有限（随着激光器功率增大而提升），常用于中薄板切割（表2）。

表2 负焦满功率切割

4.2 不同BPP 值下不锈钢切割效果对比

12kW 以下的IPG 激光器出厂BPP 值一般为3.5 左右，当BPP 值低于3.5 时，远场发散角变小，此时照射在板材表面的光束直径变小，相同功率激光发生器下峰幅照度能量更高，对于不锈钢的切割能力有明显提升；当BPP 值高于3.5 时，与之相反，远场发散角变大，此时照射在板材表面的光束直径变大，相同功率激光发生器下峰幅照度能量变低，对于不锈钢的切割能力会明显下降，更多表现在切割速度变慢，切割断面分层严重等（图8）。

图8 不锈钢负焦满功率切割断面效果对比

4.3 解决方案

当BPP 值＞3.5 时，光束远场发散角变大，同等离焦量下，照射在板材表面的光束直径变大，光束峰幅照度能量变低，不锈钢切割速度下降，切割中厚板断面出现分层现象。

（1）改用F200 切割头，以此来缩小同等离焦量下，照射在板材表面的光束直径，增大光束峰幅照度，解决断面分层。

（2）改用正交脉冲切割方式加工。

5 不同BPP值下切割头选型总结（以6kW 为例）

（1）BPP=3.0～3.3 时，客户业务以中薄板和不锈钢为主，选用F150/F200 切割头；客户业务以厚碳钢板为主，选用F150 切割头。

（2）BPP=3.4～3.6 时，客户业务以中薄板和不锈钢为主，选用F200 切割头；客户业务以厚碳钢板为主，选用F200 切割头。

（3）BPP＞3.7 时，客户业务以中薄板和不锈钢为主，选用F200 切割头；客户业务以厚碳钢板为主，选用F150/F200 切割头。

6 结论

通过模拟仿真+实际切割测试相结合的方法，不仅找到了不同BPP 值对激光切割质量的影响因素，而且针对不同工况总结了最佳的问题处理方法，同时整理并建立完整的数据库。目前，我们也可以根据客户现场实际加工工况，合理搭配激光器+切割头组合，发挥出最佳效果。