一種激光切割三級變焦快速穿孔方法

周慶，周志兵

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

激光實施切割的過程是先利用經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，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，在工件上形成一個孔，然后運動系統帶動切割裝置或加工工件運動，從而實現切割。

1 傳統激光切割穿孔過程分析

采用傳統穿孔方式（如圖1 所示）時，激光光束經普通反射鏡折射到切割頭中的聚焦鏡上表面，激光光束經聚焦鏡聚焦后通過割嘴照射在工件上，激光光束聚焦后形成一個焦點；割嘴離工件表面較近，約為1 mm，穿孔過程中的飛濺物容易粘附在聚焦鏡片的下表面上，聚焦鏡片污染后會立即降低切割質量甚至導致切割失敗；另外傳統穿孔方式激光光束聚焦后的焦點位置在工件上的位置恒定，在穿孔過程中隨著板材未被打穿的部分減少，光束直徑變大，能量不夠集中，導致穿孔時間長，易爆孔。采用傳統的穿孔方式會導致機床的加工效率低、切割零件易報廢，聚焦鏡片損耗高。

圖1 傳統激光切割穿孔過程

如圖2 所示，傳統激光切割穿孔方式由于割嘴距離工件較近，穿孔時易產生熔融材料飛濺出來，同時穿孔位置易產生過熱及自燃燒現象，與擴散的輔助氣體（氧氣）接觸，易爆孔導致穿孔失敗。為了避免自燃燒現象，保證穿孔成功，需將激光光束穿孔功率降低，穿孔效率則相應降低。

2 三級變焦快速穿孔過程分析

圖2 傳統激光切割穿孔示意

我公司最新研發的激光切割三級變焦快速穿孔方法突破了原有觀念的束縛，采用自適應鏡片代替普通反射鏡片，結合切割頭的上下運動，同時實時調整光束穿孔功率和輔助氣體壓力，分三個步驟實現快速穿孔。

激光切割三級變焦快速穿孔過程如圖3 所示。其中自適應鏡片可通過輸入可控穩定壓力的氣體控制鏡片表面的曲率，改變激光光束反射后的傳輸狀態，從而改變光束聚焦后的焦點位置，氣壓大小的變化與焦點位置的變化成線性關系。氣壓小于0.3 MPa 時，鏡片表面為凹面，焦點會上移；氣壓等于0.3 MPa 時，鏡片表面為平面，焦點處于零點；氣壓大于0.3 MPa 時，鏡片表面為凸面，焦點會下移。

圖3 激光切割三級變焦快速穿孔過程

第一步：輔助氣體開啟，切割頭下行到噴嘴離工件表面約5 mm，激光光束經自適應鏡(凸面鏡狀態)折射到切割頭中的聚焦鏡上表面，激光光束經聚焦鏡聚焦后通過割嘴照射在工件上，激光光束聚焦后形成一個焦點，位于工件的表面上方附近。此時切割頭屬于抬起狀態，割嘴離工件表面較遠（5 mm），輔助氣體在切割頭下行之前開啟，避免穿孔過程出光快于氣體供應，大幅減少切割飛濺物對聚焦鏡片的污染，由于切割頭抬高，相應聚焦鏡的位置也同時抬高，而初始穿孔需要焦點的位置在工件的表面附近，所以控制自適應鏡的通氣壓力穩定在大于0.3 MPa的某個壓力點，自適應鏡處于凸面鏡狀態，聚焦后的焦點位置下移。在該步驟過程中，采用較大的光束穿孔功率以及較小的切割輔助氣體氣壓穿孔一定時間（約0.3 s），在工件表面打出一個坑。

第二步：切割頭上的噴嘴離工件表面保持約5 mm，通過改變自適應鏡的氣壓，使其曲率變化，凸面比第一步時更大，激光束焦點的位置再下降4 mm（即焦點位置在工件上表面下4 mm 左右），以適應初始穿孔后工件材料逐漸變少的情況，在該步驟過程中，采用稍大的光束穿孔功率以及較小的切割輔助氣體氣壓穿孔一定時間。

第三步：切割頭下降，噴嘴離工件表面保持約1 mm，通過改變自適應鏡的氣壓，使其曲率變化，形成平面狀態，激光束焦點的位置上升到工件的上表面附近。在該步驟過程中，采用稍大的光束穿孔功率以及很小的切割輔助氣體氣壓穿孔很短的時間，使孔穿透工件。該步驟主要為后續的切割做準備。

如圖4 所示，光束在工件上打出一個坑后，輔助氣體吹入坑中并反彈，不會聚集在工件表面附近，氧氣不與工件接觸，避免了自燃燒，從而可以使用更大的激光功率。

圖4 激光切割三級變焦快速穿孔示意

3 結 語

1）該激光切割三級變焦快速穿孔方法通過應用氣壓控制自適應鏡片表面曲率，實時調整光束焦點在工件上的位置，結合切割頭的上下運動控制噴嘴與工件表面的距離，同時實時調整光束穿孔功率和輔助氣體壓力，分三個步驟實現快速穿孔，特別對于中厚碳鋼板（t=8～25 mm）的穿孔效率比傳統方式提高約400%。

2）由于穿孔的初期及中期切割頭抬起，噴嘴與工件表面的距離變大，同時光束焦點位置隨穿孔過程實時下降，穿孔穩定，避免自燃燒及爆孔現象，防止聚焦鏡被快速污染，提高了切割穩定性。

3）在穿孔實施前預吹輔助氣體，減少了飛濺對聚焦鏡的污染。

4）實際使用證明，該激光切割三級變焦快速穿孔方法使穿孔效率大幅提升，結構簡單，控制方便，自動化程度高，效果顯著。

［1］（日）金岡 優.激光加工［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［2］ Bending Module Adaptive（90°）Instruction Manual［M］.LT Ultra-Precision Technology GmbH，2004.