金屬切割工藝與光斑的關系

 光斑與金屬切割工藝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、燒蝕或達到燃點，再借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而將工件割開。但是，在激光切割板厚度較大時，如5mm以上，割縫前沿和側邊會發(fā)生光束多次反射，并且由于割縫底部的傾角增加，底部反射點處對激光的吸收也增加，因而容易造成割縫前沿中下部局部過熱。

以厚板碳鋼的切割斷面為例，切割斷面可以分為三個區(qū)域：最上層：光束直接穿透區(qū)域，表現(xiàn)為精細且垂直的條紋；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。由于激光在割縫中間層發(fā)生多次反射造成局部過熱，最終會導致切割斷面粗糙，甚至出現(xiàn)類似彈孔的缺陷。對于碳鋼切割，缺陷一般會在中間層產(chǎn)生。

焦平面光斑能量分布類型

激光器的切割能力和激光能量分布緊密相關。常見的激光能量分布形式有高斯、平頂、以及最新的環(huán)形。圖中光斑區(qū)域能量密度從高到低依次是：紅色、黃色、綠色、藍色。經(jīng)過實際的切割驗證，各種能量分布的光斑的切割能力特點如表所示。

環(huán)形能量分布光斑對激光切割能力的優(yōu)化對于切割版平頂光斑的3kW光纖激光器而言，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，就需要增大光纖芯徑。目前市場上的3kW光纖激光器通常采用100μm光纖芯徑，而采用此類型的光纖芯徑會降低薄板的切割速度。如何同時兼顧薄板和厚板的不同切割需求？這對激光器而言是一道技術難關。

環(huán)形光斑中心能量密度較低，可以減少彈孔狀切割缺陷，提升厚板切割能力（包括切割速度和切割質量）。同時，在此基礎上采用50μm的光纖芯徑，可以提高對薄板的切割能力。因此，通過優(yōu)化激光能量分布，能夠大幅提升對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，通常采用氮氣輔助的熔化切割工藝。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化成熱能，使金屬被熔化，并向切縫周邊傳導小部分熱量。從熱平衡理論計算，忽略損失的傳導熱量，熔化切割具有如下的經(jīng)驗公式：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。從這個公式中可以看出，在材料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。采用高光束質量激光切割薄板時，切縫寬度ω可以達到極小值，因此在吸收相同激光能量的情況下，高光束質量的環(huán)形光斑激光器可以實現(xiàn)更高效的切割。
采用50μm細芯徑的光纖，可獲得更小的匯聚光斑，實現(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。圖6中對比了分別用環(huán)形光斑和平頂光斑的3kW激光切割304不銹鋼薄板的速度。從圖中可以看出，相較于普通平頂光斑3kW激光器，環(huán)形光斑3kW激光器切割1mm不銹鋼板的速度大約提升了50%；切割2mm不銹鋼板的速度大約提升了60%。
厚板碳鋼切割質量更好碳鋼厚板切割一直是光纖激光器在切割上的應用難點。影響碳鋼切割的因素比較多，除了如氣體純度、切割頭準直聚焦特性、噴嘴類型等，激光束焦平面光斑的能量分布也有重要影響。對光斑能量分布進行優(yōu)化后，20mm及以上厚度的碳鋼板的切割斷面質量有了較大提升。

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