激光BPP 值與切割質(zhì)量的關(guān)系研究

戴樹晶，吳許祥，丁慶偉，陳金盛，盧 源，田 徑

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

BPP（Beam-parameter product）是用來衡量光纖激光器光束質(zhì)量的重要參數(shù)之一，它直接影響著精密加工和宏加工的質(zhì)量[1]。BPP=ω0·θ，ω0是束腰半徑，ω0=光纖芯徑/2=r；θ 是遠(yuǎn)場發(fā)散角度，θ=α（mrad）。如圖1 所示。BPP 可以直觀地利用束腰大小和遠(yuǎn)場發(fā)散角求得。

圖1 激光束腰半徑和遠(yuǎn)場發(fā)散角示意圖

例如：對于100μm 芯徑激光器而言，BPP 值為3.0 時(shí)，ω0=100μm/2=0.05，此時(shí)α=3/0.05=60mrad=3.438°（1rad=180°/π=57.3°，1°=π/180≈0.01745 rad）。

對于目前使用較多的100μm 芯徑激光發(fā)生器，其BPP 值一般在3.3～4.0 之間，其中ω0為恒定值。故當(dāng)激光器BPP 值越大時(shí)，θ 發(fā)散角度越大；BPP 值越小時(shí)，θ 發(fā)散角度越小。

1 不同激光芯徑對應(yīng)不同BPP 值的范圍

不同芯徑的激光器，其光束質(zhì)量BPP 值也有所不同，激光切割常用的激光器芯徑為50～200μm。其BPP 值如表1 所示。

表1 不同芯徑激光器的BPP 值

2 不同BPP 值對應(yīng)激光能量分布模擬仿真研究

2.1 BPP=3.0

其非相干輻照圖如圖2 所示。

圖2 非相干輻照圖（BPP=3.0）

2.2 BPP=3.5

其非相干輻照圖如圖3 所示。

圖3 非相干輻照圖（BPP=3.5）

2.3 BPP=4.0

其非相干輻照圖如圖4 所示。

圖4 非相干輻照圖（BPP=4.0）

以6kW 激光器/F200 切割頭為例，當(dāng)BPP 值由3.0 增大到4.0 時(shí)，在離焦量=0 位置的光束分布，峰幅照度由1.1866×107watts/cm2降低到1.1553×107atts/cm2，以此說明在同等離焦量下，BPP 值越大，光斑直徑越大，單位面積上的能量越小。

3 對碳鋼板切割質(zhì)量的影響

3.1 碳鋼板切割的焦點(diǎn)要求

以碳鋼板亮面切割為例。覆蓋到板材表面光斑直徑≥割嘴出氣氣流直徑。同樣的切割條件下，焦點(diǎn)越高，切割斷面粗糙度越低，紋路越輕，效果越好。所以從理論上分析碳鋼板切割的焦點(diǎn)要求：照射到板材表面光斑直徑≥割嘴出氣氣流直徑。但過高的焦點(diǎn)會導(dǎo)致激光燒壞割嘴，所以要根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)置焦點(diǎn)位置。

3.2 實(shí)際切割效果要求分析

以12kW 激光器/F200 切割頭為例，氧氣切割25mm碳鋼板，使用D1.6 割嘴，離焦量設(shè)定為+13mm。

當(dāng)BPP 值=4.0，離焦量設(shè)定為13mm 時(shí)，切割間隙1.0mm，激光照射在板材表面的光束半徑≈0.8337212，即光束直徑≈1.6674424mm＞割嘴直徑1.6mm，如圖5 所示。此時(shí)碳鋼板氧氣切割效果較好，同時(shí)也可保證割嘴不被激光燒壞。

圖5 NSC 光束模擬（BPP=4.0）

若BPP 值=3.3，離焦量設(shè)定為13mm 時(shí)，激光照射在板材表面的光束半徑≈0.6132118，及光束直徑≈1.2264236＜割嘴直徑1.6，如圖6 所示。此時(shí)碳鋼板氧氣切割效果不佳，紋路較重。

圖6 NSC 光束模擬（BPP=3.3）

此時(shí)若想要BPP 值=3.3 時(shí)的碳鋼板氧氣切割效果與BPP 值=4.0 時(shí)一致，離焦量需要增大297.17319-292.09695≈5mm（13+5=18mm，PROCUTTER 切割頭最高焦點(diǎn)位置為+15mm），如圖7 所示。此時(shí)超出切割頭調(diào)焦范圍，需增加散熱環(huán)工裝增大離焦量。

圖7 NSC 光束模擬（BPP=3.3）

4 對不銹鋼切割質(zhì)量的影響

4.1 不同功率激光器的不銹鋼負(fù)焦切割能力上限

通常情況下，不銹鋼切割分正焦脈沖和負(fù)焦?jié)M功率切割兩種。

（1）使用正焦脈沖切割，切割效果穩(wěn)定，對于直角的切割效果有顯著提升，切割斷面不容易分層，常用于對較厚不銹鋼的切割，但切割面下表面紋路較為粗糙，且因?yàn)槭褂妹}沖切割，減少能量吸收，故切割速度較慢。

（2）使用負(fù)焦?jié)M功率切割，切割速度較快，切割面紋路均勻，斷面較好，但切割能力有限（隨著激光器功率增大而提升），常用于中薄板切割（表2）。

表2 負(fù)焦?jié)M功率切割

4.2 不同BPP 值下不銹鋼切割效果對比

12kW 以下的IPG 激光器出廠BPP 值一般為3.5 左右，當(dāng)BPP 值低于3.5 時(shí)，遠(yuǎn)場發(fā)散角變小，此時(shí)照射在板材表面的光束直徑變小，相同功率激光發(fā)生器下峰幅照度能量更高，對于不銹鋼的切割能力有明顯提升；當(dāng)BPP 值高于3.5 時(shí)，與之相反，遠(yuǎn)場發(fā)散角變大，此時(shí)照射在板材表面的光束直徑變大，相同功率激光發(fā)生器下峰幅照度能量變低，對于不銹鋼的切割能力會明顯下降，更多表現(xiàn)在切割速度變慢，切割斷面分層嚴(yán)重等（圖8）。

圖8 不銹鋼負(fù)焦?jié)M功率切割斷面效果對比

4.3 解決方案

當(dāng)BPP 值＞3.5 時(shí)，光束遠(yuǎn)場發(fā)散角變大，同等離焦量下，照射在板材表面的光束直徑變大，光束峰幅照度能量變低，不銹鋼切割速度下降，切割中厚板斷面出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

（1）改用F200 切割頭，以此來縮小同等離焦量下，照射在板材表面的光束直徑，增大光束峰幅照度，解決斷面分層。

（2）改用正交脈沖切割方式加工。

5 不同BPP值下切割頭選型總結(jié)（以6kW 為例）

（1）BPP=3.0～3.3 時(shí)，客戶業(yè)務(wù)以中薄板和不銹鋼為主，選用F150/F200 切割頭；客戶業(yè)務(wù)以厚碳鋼板為主，選用F150 切割頭。

（2）BPP=3.4～3.6 時(shí)，客戶業(yè)務(wù)以中薄板和不銹鋼為主，選用F200 切割頭；客戶業(yè)務(wù)以厚碳鋼板為主，選用F200 切割頭。

（3）BPP＞3.7 時(shí)，客戶業(yè)務(wù)以中薄板和不銹鋼為主，選用F200 切割頭；客戶業(yè)務(wù)以厚碳鋼板為主，選用F150/F200 切割頭。

6 結(jié)論

通過模擬仿真+實(shí)際切割測試相結(jié)合的方法，不僅找到了不同BPP 值對激光切割質(zhì)量的影響因素，而且針對不同工況總結(jié)了最佳的問題處理方法，同時(shí)整理并建立完整的數(shù)據(jù)庫。目前，我們也可以根據(jù)客戶現(xiàn)場實(shí)際加工工況，合理搭配激光器+切割頭組合，發(fā)揮出最佳效果。