激光切割頭焦點控制技術研究

丁喜合，董香龍，郗文勝，王冬華

(1.中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153；2.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051)

0 引 言

國內已研制出萬瓦級激光切割機產品，大幅提升了激光切割的加工能力，標志著我國激光切割機進入萬瓦級時代[1]。同時，越來越多的激光切割機開始采用開放式系統，以適應自動化、智能化的發展趨勢。而切割頭作為激光切割機傳動鏈的關鍵末端，其性能對切割質量和切割效率至關重要[2]。

很多學者做了大量有益研究：周立波[3]、謝志坤[4]等分析了飛行橫梁的振動和變形，利用模態分析法優化激光切割機結構；馮巧波等[5]通過試驗研究了工藝參數對切口質量的影響，并對工藝參數進行了改進；律昌碩等[6]利用有限元法計算了熔渣濺射過程對電容傳感器的干擾影響；杜曉偉等[7]設計了一種抗干擾強、精度高、處理快的激光切割頭伺服控制系統。可以看出，這些研究主要針對切割機的結構、工藝和控制，涉及切割頭自身焦點控制技術的很少。本文詳細介紹切割頭焦點位置和焦點光斑直徑控制技術，從幾何光學角度推導出焦點位置變動量和焦斑直徑的理論公式，可為自主研發切割頭提供理論依據。

1 切割頭主要組成

激光切割技術是一種以激光為能源的無接觸加工技術，以其自身優勢廣泛應用于金屬切割、汽車制造、航空航天等領域。激光切割頭是激光切割機的關鍵部件，以光纖切割頭為例，其主要組成包括光纖連接模塊、準直模塊、聚焦模塊、保護窗模塊、非接觸式傳感器、割嘴等，如圖1所示。

圖1 光纖切割頭結構示意圖

光纖從連接模塊接口處接入切割頭，準直模塊將發散的激光收斂成平行光束，最后通過聚焦模塊將其聚焦成光斑進行切割，而保護鏡可以將外界與切割頭內部光路隔絕，以保證光路的密封性、延長光纖切割頭的使用壽命。在切割時，切割輔助氣體在割嘴的內腔形成高速氣流，可以將融熔材料吹走。在切割過程中，傳感器與Z軸伺服電機形成閉環控制系統，自動感應割嘴與板料表面之間的距離，當被切割板料平面度發生變化時，Z軸伺服電機進行自動補償，使其距離保持恒定，從而保證最佳的切割質量。

2 焦點控制技術

2.1 焦點直徑

經切割頭聚焦后的激光光束為高斯光束，功率密度在聚焦后也得到大幅提高，便于工件的切割。通常所說的焦點就是高斯光束的束腰，一般用束腰直徑表征焦點的大小，且光斑直徑與切割質量有著密切的關系[8-9]。

光纖切割頭的光路原理如圖2(a)所示，為減小光束的發散角，在激光進入割頭聚焦模塊之前需要對激光光束進行準直，聚焦后的焦點直徑(也稱焦斑直徑)為

(1)

式中，fF為聚焦鏡焦距；fC為準直鏡焦距。

CO2型切割頭的光路原理如圖2(b)所示，其焦點直徑由入射于聚焦透鏡上方的光束直徑φ和聚焦透鏡的焦距共同決定，由圓孔的夫瑯禾費衍射原理可得焦點直徑為

圖2 切割頭光路原理圖

(2)

式中，λ為波長；φ為光束直徑；M2為光束衍射倍率因子。

2.2 焦點位置控制

當激光切割機切割工件時，不僅要求精度高，還要保證切割質量，這就要求對切割頭的焦點進行精準控制。切割材料不同，焦點位置也不同，如圖3所示，一般情況下，在切割薄低碳鋼板時，焦點在工件表面；切割厚低碳鋼板時，焦點位于工件表面上部；切割不銹鋼和鋁板時，焦點位于工件表面之下。

圖3 切割不同材料時的焦點位置

切割頭的焦點位置控制方式主要有F軸調焦、變曲率鏡調焦和準直模塊調焦3種。

F軸調焦通過改變聚焦鏡的位置來控制焦點位置，焦點位置的移動量即為聚焦鏡位置的移動量。早期的CO2切割頭大都采用機械結構來達到手動調焦的效果，隨著自動化技術的發展，采用電機驅動聚焦鏡的自動調焦方式應運而生，并得到廣泛應用。

變曲率鏡調焦通過調整變曲率鏡的曲率來改變反射光束的發散狀況，使焦點位置上下移動，如圖4所示，變曲率鏡的曲率與驅動介質的壓力有直接關系，一般壓力增加，鏡面向外彎曲，反射光束變得發散，焦點向下移動，反之向上移動，且焦點位置變化量與壓力變化值成線性關系。

圖4 變曲率鏡調焦

針對光纖切割頭，也可通過改變準直模塊的位置來改變焦點位置。如圖5所示，O點處發出的激光束經過準直模塊A使其成為平行光束，再經過聚焦模塊B后匯聚于I處，當準直模塊往Z向移動d到A′處，激光束通過準直模塊后變得發散，發散的光束成像于I1處，且光束通過聚焦模塊B的像點從I處(透鏡B原先的焦點位置)向右移動Δ到I2處[10]。

圖5 準直模塊調焦

移動準直模塊后，根據薄透鏡成像公式推導可得

(3)

計算解得移動距離：

(4)

2.3 焦點直徑控制

焦點直徑控制也稱變焦，即改變焦點處的光斑直徑，變焦技術主要應用于厚板切割和提高厚板穿孔效率。當薄板高速切割時，小光斑直徑有利于提高能量密度，割縫小，便于實現高速切割；當厚板切割時，大光斑直徑使割縫寬度增加，利于熔渣排泄，而且還可以獲得較大的焦深，斷面垂直度高，利于提高切割質量。

CO2切割機的變焦途徑主要有2種：一是更換聚焦鏡，通過改變焦距fF來改變光斑直徑，二是通過改變光程來改變入射到聚焦鏡上的光束直徑，從而改變光斑直徑[9]。光纖切割機也可以通過更換準直鏡或者聚焦鏡的方式來改變光斑直徑的大小。此外，光纖切割頭還可以根據連續變焦的原理，移動準直模塊中調整透鏡的位置來改變準直模塊的焦距，從而改變光斑直徑。

通常可以采用二組元、三組元和四組元進行變焦系統設計。三組元變焦在光學系統中的應用最廣泛，一般由變焦組、固定組和補償組構成。工作時，變焦組相對于固定組移動，這兩組的組合焦距不斷變化，產生新的焦點，補償組則相應地移動到某一特定位置，使這個新的焦點和補償組的焦點重合，組成新的擴束系統[11-12]。設計光學結構時，“正-負-正”的結構長度較“負-正-負”的結構長度更短，有利于保證光學結構的緊湊性。為了使調節結構簡單、可靠，常將中間的凹透鏡作為固定組，其他兩組分別作為移動組和補償組來實現無焦連續變倍功能，如圖6所示的準直變焦中，凹鏡2作為固定組，凸鏡1作為移動組，凸鏡3作為補償組，其中凸鏡1和凹鏡2組合在一起可以看成望遠鏡的目鏡，其整體和凸鏡3構成倒裝的伽利略望遠鏡系統，其組合焦距和擴束比為[5]

圖6 光纖切割頭準直變焦

(5)

(6)

BPP和M2是衡量激光光束質量的兩個關鍵參數：BPP是光斑直徑與遠場發散角的乘積，與波長無關；M2是光束衍射倍率因子，與波長相關，兩者間的相互關系為

(7)

確定的激光器光束在無像差光學系統中傳輸時BPP值不變，所以焦點直徑為

(8)

由式(5)～式(8)可知，當d增大時，組合焦距f12不斷增大，其光束直徑φ隨之減小，而焦斑直徑dFocus隨之增大。

通常短焦距聚焦鏡的焦斑直徑小，適用于薄板高速切割；長焦距聚焦鏡的焦斑直徑大，適用于厚板切割。而通過焦點直徑控制技術可以兼顧短焦距和長焦距的特點，由式(8)可知：通過數控程序設計使激光切割機自動地根據板材厚度及種類調整焦斑位置和焦斑直徑進行切割，從而大大提高生產效率。

3 結束語

自動調焦和自動變焦技術在激光切割機上的應用越來越廣泛，使激光切割機在切割不同厚度不同種類板材時無需人工干預，大大提高了自動化程度和生產率，引領了新的市場趨勢，合理的切割頭焦點控制對激光切割的質量和切割速度起著關鍵作用。

(2) 焦點直徑控制除了可以通過更換聚焦鏡或準直鏡或光束直徑φ實現變焦目的外，還可以根據連續變焦原理，移動準直模塊中調整鏡的位置連續快捷地改變光斑直徑大小。