環(huán)形光斑光纖激光器優(yōu)化金屬激光切割工藝：不銹鋼薄板切割效率更高，碳鋼厚板切割質(zhì)量更佳。環(huán)形光斑的光纖激光器會成為越來越多激光切割機廠家和終端用戶的最佳選擇。
作者：王錦軍 上海飛博激光科技有限公司
光纖激光器由于光電轉(zhuǎn)換率高，運行和維護成本低，易于集成等優(yōu)勢，從2010年開始在激光切割應用中逐漸取代了YAG棒狀激光器和CO2氣體激光器。2015年，全球范圍內(nèi)材料加工領域中的光纖激光器訂單額首次超過了CO2激光器，成為一個里程碑事件。此后，光纖激光器在切割中替代CO2激光器的進程更加迅速。隨著500W~6000W國產(chǎn)光纖激光器的成熟，光纖激光器已經(jīng)成為目前國內(nèi)工業(yè)激光切割機的主流激光器。
激光切割金屬過程
激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射金屬材料，被照射的金屬材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，再借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而將工件割開。但是，在激光切割板厚度較大時，如5mm以上，割縫前沿和側(cè)邊會發(fā)生多次反射，且由于割縫底部的傾角增加，底部反射點處對激光的吸收也增加，容易造成割縫前沿中下部局部過熱。
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圖1 激光切割時的割縫? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2 激光切割厚板時割縫前沿和側(cè)面激光多次反射
以厚板碳鋼的切割斷面為例，切割斷面可以分為三個區(qū)域：
??最上層：光束直接穿透區(qū)域，表現(xiàn)為精細且垂直的條紋；
??中間層：擱架狀區(qū)，大部分光束在該區(qū)域被材料吸收；
??最下層：沖刷區(qū)，過熱的熔融物從此區(qū)域流出切縫，并帶走較多的熔化材料
圖3 ??3000W切割22mm碳鋼較好的切割斷面
由于激光在割縫中間層發(fā)生多次反射造成局部過熱，最終會導致切割斷面粗糙，甚至出現(xiàn)類似彈孔的缺陷。對于碳鋼切割，缺陷一般會在中間層產(chǎn)生。
圖4 3000W切割22mm碳鋼較差的切割斷面
焦平面光斑能量分布類型
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圖5 從左至右分別為焦平面上高斯光斑、平頂光斑和環(huán)形光斑的激光能量分布示意圖
激光器的切割能力和激光能量分布緊密相關。常見的激光能量分布形式有高斯，平頂，以及最新的環(huán)形。圖5中光斑區(qū)域能量密度從高到低依次是：紅色，黃色，綠色，藍色。經(jīng)過實際的切割驗證，其切割能力特點如下：
表1 不同類型光斑的光纖激光器切割能力對比
環(huán)形能量分布光斑對激光切割能力的優(yōu)化
對于切割版平頂光斑的3000W激光器而言，采用50μm光纖芯徑可以提升薄板的切割速度；但為了提升厚板切割能力，又需要增大光纖芯徑。目前市場上的3000W激光器通常采用100μm光纖芯徑，而采用此類型的光纖芯徑會降低薄板的切割速度。如何同時兼顧薄板和厚板的不同切割需求？這對激光器而言是一道技術難關。
環(huán)形光斑中心能量密度較低，可減少彈孔狀切割缺陷，提升厚板切割能力（包括切割速度和切割質(zhì)量）。同時，在此基礎上采用50μm的光纖芯徑，可提高對薄板的切割能力。因此，通過優(yōu)化激光能量分布，可大幅度提升對金屬薄板和厚板的切割能力。
薄板不銹鋼切割效率更高
激光切割不銹鋼時通常采用氮氣輔助的熔化切割工藝。在激光熔化切割薄板金屬的過程中，金屬材料吸收激光能量后轉(zhuǎn)化成熱能，從而被熔化，并向切縫周邊傳導小部分熱量。從熱平衡理論計算，忽略損失的傳導熱量，熔化切割具有如下的經(jīng)驗公式：
P=K*(t*v*ω)
其中，P代表材料吸收的激光功率；K是一個由板材決定的固定數(shù)值；t代表板材厚度，v代表切割速度，ω代表切縫寬度。從中可以看出，在吸收的激光功率一定的情況下，切縫寬度ω越小，切割速度越快。采用高光束質(zhì)量激光切割薄板時，切縫寬度ω可以達到極小值，因此在吸收相同激光能量的情況下，高光束質(zhì)量的環(huán)形光斑激光器可以實現(xiàn)更高效切割。采用50μm細芯徑的光纖，可獲得更小的匯聚光斑，實現(xiàn)極高的光功率密度，相比于普通的100μm芯徑的平頂光斑激光器，相同功率下環(huán)形光斑激光器可以大幅提升薄板切割速度。表1對比了環(huán)形光斑和平頂光斑3000W激光切割304不銹鋼薄板的速度?？梢钥闯觯噍^于普通平頂光斑3000W激光器，環(huán)形光斑3000W激光器切割1mm不銹鋼板速度提升約50%；切割2mm不銹鋼板速度提升約60%。
表2 環(huán)形光斑和平頂光斑3000W激光切割304不銹鋼薄板速度對比
厚板碳鋼切割質(zhì)量更好
碳鋼厚板切割一直是光纖激光器在切割上的應用難點。影響碳鋼切割的因素比較多，除了如氣體純度、切割頭準直聚焦特性、噴嘴類型等，激光束焦平面光斑的能量分布也有重要影響。對光斑能量分布進行優(yōu)化后，20mm及以上厚度的碳鋼板的切割斷面質(zhì)量有了較大的提升。
圖6 平頂光斑3000W和環(huán)形光斑3000W切割斷面對比
環(huán)形光斑3000W激光器切割碳鋼厚板時，不僅切割斷面質(zhì)量更佳，切割速度也有提升。
表3 環(huán)形光斑和平頂光斑3000W激光切割Q235碳鋼中厚板速度對比
結(jié)論
目前光纖激光器已經(jīng)成為激光切割設備的首要選擇。環(huán)形光斑顯著提升了3000W光纖激光器的切割能力，其不僅提高了薄板的切割速度，厚板的切割斷面質(zhì)量也獲得了大幅提高，而這兩方面對提高激光切割機終端用戶的生產(chǎn)效率和利潤率大有裨益?？梢灶A計，環(huán)形光斑光纖激光器會成為越來越多激光切割機廠家和終端用戶的最佳選擇。