光纖激光切割技術(shù)

沈海平，陳 欣，陳 陽(yáng)

(三一重工股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 前言

激光切割是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械切割來(lái)說(shuō)具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更高的材料利用率和生產(chǎn)效率等特點(diǎn)，特別是在精細(xì)切割領(lǐng)域，激光切割具有傳統(tǒng)切割無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。激光切割是將能量聚焦到微小的空間，利用高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的切割方法[1]。

目前用于切割領(lǐng)域的激光主要為二氧化碳激光，二氧化碳激光發(fā)生器體積較大，占用場(chǎng)地大，對(duì)機(jī)架和導(dǎo)軌要求極高，難以實(shí)現(xiàn)多槍切割；光路完全依靠銅反鏡來(lái)傳播，光路衰減快，光路要求高，能量損失較多；激光為二氧化碳受激發(fā)產(chǎn)生，電光轉(zhuǎn)化率低，僅為10%。光纖激光的產(chǎn)生為解決以上問(wèn)題提供了一個(gè)全新的思路。

1 光纖激光的結(jié)構(gòu)

CO2激光與光纖激光示意如圖1所示。由圖可知，CO2激光是CO2氣體在高頻高壓下受激發(fā)，頻率10.6 μm，產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)諧振腔的偏振鏡后沿銅鏡反射聚焦而進(jìn)行切割的。由于偏振鏡對(duì)激光的選擇作用，導(dǎo)致大部分能量都損失在激光源內(nèi)，電光轉(zhuǎn)化率僅為10%。而光纖激光是采用多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置作為激光源，產(chǎn)生的激光通過(guò)分支在諧振腔調(diào)整后耦合進(jìn)單根光纖，形成功率較高的激光。光纖激光的頻率為1.07 μm，在泵浦內(nèi)多次反射后被纖芯吸收，進(jìn)而在諧振腔內(nèi)耦合而增強(qiáng)。由于采用了多模泵浦二極管，能量被分散，電光轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)25%以上，因此光纖激光在工作時(shí)只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷。

圖1 激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)

2 光纖激光的能量特點(diǎn)

6 mm光路直徑的光纖激光和25 mm光路直徑的CO2激光經(jīng)聚焦后的光路示意如圖2所示。聚焦后CO2激光光路極易發(fā)散，而光纖激光的光路恒定性很好，前者聚焦的有效深度僅為2 mm，而后者可以達(dá)到5 mm。激光的發(fā)散意味著在切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生更寬的割縫，在切割厚板時(shí)需要大幅提升激光功率。

圖2 光纖激光與CO2激光能量光路尺寸

1.5kW光纖激光和3 kW CO2激光在割縫為0.35mm時(shí)的能量分布如圖3所示。光纖激光斑能量整體分布較均勻且極為集中，而CO2激光功率高一倍，但由于分布范圍廣，且能量橫向分布少，縱向分布多，大量能量都散失掉了，真正起到切割作用的部分（紅色區(qū)域）與光纖激光相差不多（來(lái)源于海寶1.5 kW光纖激光切割機(jī)數(shù)據(jù)）。

圖3 光纖激光與CO2激光能量分布

3 光纖激光切割速度

1.5kW光纖激光和3 kW CO2激光在切割中碳鋼和不銹鋼時(shí)的切割速度如圖4所示。由圖4a可知，在切割3 mm以下厚度的中碳鋼時(shí)，兩者的切割速度相差不大，隨著板厚的增加，當(dāng)板厚超過(guò)4 mm時(shí)，CO2切割速度較快，其主要原因?yàn)镃O2激光比較發(fā)散，在切割厚板時(shí)割縫較寬，切割氧能夠充分地順著割縫與下面的鋼板反應(yīng)，從而加快切割速度。從圖4b可以看出，在切割3 mm以下厚度的不銹鋼時(shí)，光纖激光的速度快，其主要原因?yàn)楣饫w激光波長(zhǎng)短，僅為CO2激光的1/10，光子能量高，不銹鋼板較易吸收；同樣可以看出在3 mm以上板厚不銹鋼的切割中，二者相差不大(來(lái)源于海寶1.5 kW光纖切割機(jī)數(shù)據(jù)）。

4 光纖激光在切割中的優(yōu)點(diǎn)

光纖激光與CO2激光優(yōu)點(diǎn)比較如表1所示。

5 光纖激光當(dāng)前研究及應(yīng)用實(shí)例

光纖激光問(wèn)世時(shí)間不長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容比較多，目前主要集中在優(yōu)化切割工藝參數(shù)以提高切割質(zhì)量、拓展應(yīng)用范圍和微加工領(lǐng)域。切割質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有：熱影響區(qū)的寬度、切口斷面波紋、切割寬度及表面粗糙度、切口斷面及下表面掛渣。

圖4 不同材料的切割速度

表1 光纖激光與CO2激光相比在切割中的優(yōu)點(diǎn)

光纖激光光路直徑小，切割影響因素多，各種相關(guān)因素對(duì)切割質(zhì)量都有著較大的影響，因此通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬尋求最佳的切割參數(shù)是目前的研究熱點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)研究比較多的有華中科技大學(xué)、江蘇大學(xué)等。文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)研究了對(duì)光纖激光切割中碳鋼的參數(shù)，得出了在切割2 mm板厚的中碳鋼時(shí)，若輔助氣體為N2，最佳工藝參數(shù)為：激光功率1000W、切割速度4.5 m/min、噴嘴離工件表面距離0.5 mm、輔助氣壓1.2 MPa；激光功率增加，切縫寬度增大，掛渣先增大再減小；切割速度增加，切縫寬度減小，表面粗糙度減小，掛渣減??；噴嘴離工件表面距離增加，切縫寬度先增加再減小，變化較小，掛渣急劇增加；輔助氣壓主要影響掛渣厚度，對(duì)表面粗糙度基本沒(méi)有影響，氣壓增加，掛渣厚度迅速減小，如圖5a所示。若輔助氣體為O2，最佳工藝參數(shù)為激光功率500 W、切割速度3 m/min、噴嘴離工件表面距離0.5 mm、輔助氣壓0.7 MPa；激光功率增加，切縫寬度增加，掛渣厚度增加，條紋間距增加；切割速度增加，切縫寬度先增大再減小，表面掛渣變化不大，條紋間距先減小再增大；噴嘴離工件表面距離增加，切縫寬度先增大再減小，掛渣厚度增大，條紋間距減??；輔助氣體壓力增加，切縫寬度先增大再減小，掛渣急劇減小，條紋間距減小，如圖5b所示。文獻(xiàn)[3]指出纖激光在切割碳鋼時(shí)，準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡及光纖芯徑配置合適時(shí)才能達(dá)到較好的切割效果，在切割過(guò)程中，氣壓對(duì)切割質(zhì)量至關(guān)重要，氣壓不足易產(chǎn)生硬渣，氣壓過(guò)大易產(chǎn)生條紋，應(yīng)與噴嘴配合調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳切割效果。光纖激光的功率變化寬度較大，高于最小所需功率時(shí)，切割質(zhì)量影響不大。在薄板切割中，適用于高功率、高氣壓氣割，得到的是較好的氣割質(zhì)量及較快的速度；在厚板的切割中，適用于高功率、低氣壓的切割，氣割質(zhì)量良好。

除了在鋼板切割外，光纖激光越來(lái)越多的被應(yīng)用于精密加工中。文獻(xiàn)[4]研究了微孔結(jié)構(gòu)血管支架的光纖激光切割工藝，不斷優(yōu)化相應(yīng)的切割參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖激光的精密加工技術(shù)，如圖6所示。文獻(xiàn)[5]優(yōu)化了光纖激光切割參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了精密齒輪的光纖激光切割。

圖5 光纖激光切割實(shí)例

圖6 光纖激光切割微孔血管支架效果

6 光纖激光的不足

6.1 安全性

在激光對(duì)人體的傷害中，對(duì)眼睛的傷害最為嚴(yán)重。對(duì)光纖激光而言更是如此，如圖7所示。光纖激光波長(zhǎng)1.07 μm，屬于近紅外光，而波長(zhǎng)在可見(jiàn)光和近紅外光的激光，眼屈光介質(zhì)的吸收率較低，透射率高，而屈光介質(zhì)的聚焦能力（即聚光力）強(qiáng)。強(qiáng)度高的可見(jiàn)或近紅外光進(jìn)入眼睛時(shí)可以透過(guò)人眼屈光介質(zhì)，聚積光于視網(wǎng)膜上。此時(shí)視網(wǎng)膜上的激光能量密度和功率密度提高到幾千甚至幾萬(wàn)倍，大量的光能在瞬間聚中于視網(wǎng)膜上，致視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞層溫度迅速升高，以至使感光細(xì)胞凝固變性壞死而失去感光的作用。激光聚于感光細(xì)胞時(shí)產(chǎn)生過(guò)熱而引起的蛋白質(zhì)凝固變性是不能可逆的損傷。一旦損傷以后就會(huì)造成眼睛的永久失明。對(duì)二氧化碳激光而言，因其波長(zhǎng)為10.6 μm，屬于遠(yuǎn)紅外光，可被水吸收，且波長(zhǎng)較長(zhǎng)，光子能量稍低，對(duì)人眼的損傷程度相對(duì)較小。因此光纖激光切割一般要求封閉式切割，而CO2激光可以敞開(kāi)式切割。

6.2 厚板切割和切割刻痕

圖7 光纖激光對(duì)人眼傷害示意

目前光纖激光切割還存在兩個(gè)問(wèn)題：①切割厚度不夠；②厚板切割時(shí)表面刻痕較多。主要原因?yàn)楣饫w激光的割縫比CO2激光要細(xì)很多，而激光切割也是通過(guò)氣流將熔渣吹除，細(xì)的割縫O2很難大量吹進(jìn)割縫，從而導(dǎo)致熔渣難以吹除，因此表面就可能出現(xiàn)刻痕，且難以切割16 mm以上板厚的鋼板。

另外，文獻(xiàn)[6]也給出了一些原因：

（1）熱損失大。切割速度的降低，切割區(qū)域的熱損失增加。熱損失的主要形式是熱傳導(dǎo)，厚度越大，熱傳導(dǎo)損失越大，切割速度也越低。掛渣的原因是切口底部的平均切割溫度很低，溫度低主要因?yàn)槟芰繐p失大。

（2）避免側(cè)向燃燒。文獻(xiàn)[7]指出當(dāng)切割區(qū)域周?chē)鷾囟雀邥?huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。通常側(cè)向燃燒發(fā)生在切口頂部，為防止側(cè)向燃燒需要降低氧氣的壓力。材料越厚可供選擇的氧氣壓力范圍越窄，只有7 kPa，而薄板切割范圍有21～35 kPa。這就削弱了切口底部氧化反應(yīng)，降低了熔渣去除能力。

（3）幾何形狀的差異。激光切割厚板時(shí)，熔化前沿的傾角變得突出了，這將導(dǎo)致材料對(duì)激光吸收系數(shù)的降低，進(jìn)而降低了切割速度。

（4）切割金屬材料時(shí)，材料表面產(chǎn)生等離子體是阻礙切厚工件的重要原因。

7 光纖激光的發(fā)展展望

雖然光纖激光在切割行業(yè)中也有不足，但是更應(yīng)該看到其具有CO2激光無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在今后，光纖激光切割的研究將會(huì)重點(diǎn)集中在以下幾點(diǎn)[6]：

（1）提升激光器性能。

有研究表明，研制更大功率的激光發(fā)生器可以有效提高切割厚度。文獻(xiàn)[8]使用100 kW CO2激光器切割50.8 mm厚鋼板。當(dāng)功率密度達(dá)到60 kW/cm2時(shí)，切割速度400.05 mm/min。因此，光纖激光切割機(jī)也可以通過(guò)提高功率來(lái)達(dá)到增加切割厚度的效果。

（2）激光器耦合技術(shù)。

將兩臺(tái)激光器功率耦合在一起，在光束之間設(shè)置一定間距，可以減小等離子體的產(chǎn)生，有助于切厚板。文獻(xiàn)[9]采用耦合技術(shù)切割鋼板，如圖8所示。第一束激光使部分區(qū)域的材料加熱至熔化和氣化；第二束激光在第一束激光的基礎(chǔ)上將材料加熱至汽化。與單一激光束相比，雙光束激光切割厚度和切割速度都更大，切割質(zhì)量也很理想。

（3）自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

圖8 雙光束切割示意

文獻(xiàn)[10]使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)激光切割16 mm板厚的低碳鋼，如圖9所示。其焦點(diǎn)位置沿著材料厚度方向上下波動(dòng)幾個(gè)毫米，焦點(diǎn)位置的偏移導(dǎo)致自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中焦距的改變。焦點(diǎn)位置周期性變化影響切割過(guò)程，可以得到高質(zhì)量的切口。

圖9 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)切割示意

（4）雙聚焦法。

雙聚焦法[11]是采用特殊的透鏡使光在不同部位兩次聚焦，如圖10所示。由于D1與D2曲率半徑相差較大，形成了雙焦點(diǎn)。切割過(guò)程中，上焦點(diǎn)位于工件上表面，下焦點(diǎn)位于工件下表面附近，使金屬的整個(gè)切割面保持高強(qiáng)度的激光，能滿足整個(gè)厚板切口的能量需求，從而提高切割鋼板的厚度和質(zhì)量。

（5）噴嘴改進(jìn)。

切割輔助氣體的流場(chǎng)特征對(duì)切割能力也有著較大的影響。文獻(xiàn)[12]報(bào)道了超音速?lài)娮靸?nèi)壁直徑先收縮后放大，可在出口處產(chǎn)生超音速氣流，供氣壓力大但不產(chǎn)生激波從而將切縫中的熔化金屬快速吹走，提高切割能力和切割質(zhì)量。

圖10 雙聚焦切割示意

8 結(jié)論

光纖激光以其高電光轉(zhuǎn)化率、高切割精度、柔性加工能力、良好的切割質(zhì)量和適應(yīng)性能將會(huì)在切割領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。不斷研究高性能的光纖激光器、開(kāi)發(fā)先進(jìn)的光學(xué)切割方法及配套裝置、尋找各種切割狀態(tài)下最佳的切割參數(shù)、提高切割安全性，將會(huì)給光纖激光切割帶來(lái)更加廣泛的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、精密的切割。

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