自適應鏡在激光切割系統中的應用

文／凌步軍·江蘇亞威機床股份有限公司

自適應鏡在激光切割系統中的應用

文／凌步軍·江蘇亞威機床股份有限公司

激光切割加工質量與激光焦點位置有著密切的關系，利用KUGLER自適應鏡，通過數控系統控制壓力的變化來調整光束的直徑，從而控制整個加工范圍內焦點位置的恒定。

激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應低、無污染、無噪聲等優點，在汽車、船舶、航空航天和電子工業中都得到了廣泛的應用。激光切割加工質量與激光焦點位置有著密切的關系，在實際加工過程中，由于激光束的發散，在加工范圍內其焦點位置變化大，這種激光能量聚焦不穩定的因素，直接導致了切割質量的不穩定。本文通過CNC系統控制氣壓，從而實時改變鏡片的曲率，最終保證了焦點位置的恒定。

光路原理分析

激光通過激光器產生后，由反射鏡傳遞并通過聚集鏡照射到工件上，使工件表面受到強大的熱能而溫度急劇升高，使該點因高溫而迅速地融化或者汽化，配合激光頭的運行軌跡從而達到加工的目的。但激光束具有發散的特點，即傳輸的路徑越長光束直徑就會越大。某激光器光束直徑與轉播路徑的關系如圖1所示，光束從激光器出發首先通過6mRCX凸鏡，再通過5.2mRCC凹鏡擴束處理，使其發散性收斂，兩條紅線之間代表激光束實際加工范圍的光程。但由于激光的發散性，光束從距離激光器出口5.1m處開始發散，傳輸到11.1m時，光斑直徑卻從25.8mm變化到了29.3mm。

光束直徑的變化會引起焦點位置的變化，其關系可用D=f×θ表示，其中，f為焦距，即焦點與鏡片光心之間的距離；θ為激光束的發散角，由激光器自身的特性決定?？梢?，焦點位置f隨著光束直徑D的變大而變大，即隨著加工距離的加大，焦點位置會向板材下表面移動（圖2），導致焦點位置偏離設置的原始位置，最終使得切割質量受到了嚴重影響。

經測試得出，光束直徑隨傳播路徑的變化關系如圖3所示。由于激光切割頭的工作區域通常在5～10m之間，使得光束直徑變化高達11mm，切割焦點位置有明顯變化，影響了切割效果。

KUGLER自適應鏡的應用

KUGLER自適應鏡利用CNC控制電壓的變化，根據路徑的長度，實時調整氣體壓力，進而調整鏡片曲率，從而控制光束直徑，最終實現了焦距穩定性的提高。在激光切割機的光路系統中，KUGLER自適應鏡所處的位置如圖4所示。

運用KUGLER自適應鏡的光路系統，經過反復試驗，測出光束最終直徑如圖5所示?？梢姡?～10m的工作區域內，光束直徑變化僅為3mm，使得切割板料的效果更佳。KUGLER自適應鏡使用的是全沖程非球面反射鏡，只需按壓力與焦距成反比例的關系，將壓力值輸入控制器，該鏡面的曲率就會在1s內完成改變，使整個激光系統的控制十分方便。

通過調整自適應鏡片曲率，保證了焦點位置基本恒定，且基本都在板面上（圖6），使設備切割質量的穩定性大大提高，解決了工藝難題。目前，該技術經過我司多次試驗論證，使用效果良好。