激光切割機光路系統設計

1 引言

激光切割與傳統切割機床相比具有更好的加工柔性，而且加工速度快、效率高、無振動及噪聲等[1]。近年來，激光切割技術正以前所未有的速度發展，每年都以15%～20%的速度增長。我國自1985年以來，更是以每年近25%的速度增長[2]。

激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，蒸發形成小孔洞后，再使光束與材料相對移動，從而獲得窄的連續切縫[3]。激光切割的質量和精度受眾多因素的影響，有一些影響因素在切割生產中是可調節的,如激光功率、切割速度、輔助氣體氣壓、焦距和焦點位置等；另外還有一些切割影響因素是預先確定的,如激光器的性能、光束傳輸的光路系統等。其中，實踐表明，光束傳輸的光路系統對激光切割質量具有重要影響。

本文結合我公司TL3015 三維激光切割機的研發項目，通過對光束的傳輸特性、光路系統的傳輸環境等方面進行系統分析，總結闡述了光路系統的設計要點和使用方法，對激光切割機的光路系統設計具有指導意義。

2 光路設計

在激光切割過程中，受到諸多因素影響，可能導致不能獲得穩定的切割質量，出現切口表面粗糙、切縫寬度不一致、切口掛渣、切不透等現象。在光路設計中，要盡量排除干擾切割質量因素。其中主要應考慮兩方面因素,即光束傳輸特性、光路系統的防護。

2.1 光束的傳輸特性

不同廠家的激光器產生光束的傳輸特性不同，其光路設計也不盡相同。光束的傳輸特性在設計上主要考慮兩方面，即光束的發散特性以及光束的偏振特性。

2.1.1 光束的發散特性及補償措施

由于光束具有發散特性，機床在不同行程位置切割時，光束的直徑會隨光束傳輸距離的變化而變化，其帶來聚焦點的變化使切割質量不穩定。激光光束特性對聚焦點的影響，如圖1 所示，光束直徑越大通過透鏡后得到的聚焦點將越小。為了在切割大幅面板材時保持切割范圍內前后切割質量一致，需要采取一定的補償措施。目前通常采用以下三種方案。

（1）擴束鏡。如圖2 所示，擴束鏡是一種由凸透鏡和凹透鏡組成的光學系統，該裝置能改變光束的大小和發散特性。擴束鏡的原理是先對光束進行擴展，再將其聚焦，可以得到更小的焦點。擴束鏡可以改善光束的準直特性，使得光束直徑在切割范圍內基本保持一致。使用該裝置可以獲得前后基本一致的切割質量，并可提高切縫與板材表面的垂直精度。

（2）變曲率半徑鏡平片（VRM）。VRM 閉環控制系統原理是：通過調整變量泵的輸出流量來改變VRM 鏡片內水槽中的水壓，從而改變聚焦透鏡的曲率半徑。變曲率半徑鏡片能夠在光路長度改變時動態地調整光束的特征參數，以保持焦點半徑和焦點深度的穩定。VRM 系統結構復雜、成本高、需要閉環控制，國外一些技術先進的產品采用這種光路補償措施。但就目前國內整體技術水平而言，難以達到預期的使用效果[4]。

（3）恒定光程系統。恒定光程是指從激光器到加工板面的光束傳輸距離恒定。下面介紹兩種實現恒定光路的方案。①如圖3 所示，該方式為單獨使用一臺伺服電機控制兩塊將光束反射回去的光學鏡片來取得恒定的光路長度，參見圖中U 軸處。因為光束存在束腰和發散角，不同的光程有不同的特征，如模式形狀等。該方案能夠實現可調的光路長度，可滿足不同的光程長度的多種加工性能要求。②如圖4 所示，該方式為使用一個可以旋轉的光學鏡片和傳輸光束的導光臂來取得恒定的光路長度。該方案可以使用最少的鏡片來實現恒定的光路長度，而且光路的調節簡單。

2.1.2 光束的偏振特性

大部分激光器發出的激光束是在垂直于傳播方向的平面內光矢量只沿一個固定方向振動的線偏振光。在實際激光切割中存在著不同方向切割的切縫質量不一致、高反射率金屬(銅、黃銅、鋁)難以切割等問題。我們在光路設計中利用其光束的偏振特性配合使用了不同的光學鏡片,很好地解決了上述問題。

（1）在激光切割實驗中發現，切縫質量取決于相對于切割方向的光偏振方向。由于相對于金屬切割面呈S 偏振的光比呈P 偏振的光更容易被切縫表面反射，切縫質量會在不同切割方向上產生差異。我們使用反射式相位延遲圓偏振鏡片（RPR）來消除切縫的這種變化，其作用是把激光器發出的光束由線偏振光轉換為圓偏振光。圓偏振光在任何光束方向上都是由等量的S 偏振和P 偏振組成的，因此在所有的軸向都會具有相同成分的偏振，無論切割方向如何，都將以均一的方式去除材料。

圓偏鏡的使用安裝方法如圖5 所示。入射光束的偏振方向必須與傳輸面成45°角，且以90°角反射出去。在激光切割機的使用中圓偏鏡應該盡可能靠近激光器安裝，以便取得一個準確的入射角，避免入射角不準確導致切縫傾斜。

（2）在激光切割高反射率金屬穿孔時，光束的一部分會被反射偏離金屬表面并進入激光器腔體，引起光束模式和光束能量不穩定，從而干擾激光器的正常運行。同時其中被反射回來的光束將可能在激光器腔體內放大，然后集中于下一光束中同時照射在光學鏡片上，引起光學鏡片的損害。我們在切高反射率金屬的過程中使用了吸收薄膜反射鏡片即ATFR 鏡片，其特點是對S 偏振光的高反射率（通常為 99%）和P 偏振光的低反射率（通常小于1%）。例如在切割銅、黃銅、鋁時，其表面反射回來的光束將被ATFR 鏡片吸收。

ATFR 鏡片的使用方法：①如圖6 所示，先確定激光器射出的光束的偏振方向，然后再確定ATFR鏡片的安裝位置，使照射到ATFR 鏡片上的光束為S 偏振光。例如：射出光束水平偏振時，光束需經過ATFR 鏡片向上或向下垂直反射；射出光束垂直偏振時，光束需經過ATFR 鏡片向左或向右水平反射；射出光束45°偏振時，光束需經過ATFR 鏡片向上斜45°或向下斜45°反射。②如圖7 所示，激光切割機中需要在ATFR 鏡片與切割金屬之間的適當位置安裝PRP 鏡片。

2.2 光束的傳輸環境

光束從激光器射出經過氣體介質的傳輸到達切割金屬，在傳輸過程中會受到傳輸介質的影響，不良的傳輸介質會影響切割質量。我們分析了傳輸環境的各個因素對光束的影響，在設計光路中使用了凈化裝置和潔凈密封的設計。實踐證明，該設計能夠很好地控制傳輸環境對光束的影響，并且有效減少了其對反射鏡片的污染，對切割質量的提高起到了顯著作用。

2.2.1 光路中的灰塵、油霧、水汽

如圖8 所示，當光束通過帶有灰塵、油霧、水汽的空氣時，光束有部分能量會被吸收，光束的擴散角度將被擴大，從而影響最終到達切割板材的光束質量。如圖9 所示，隨著光束的發散角的增大，聚焦點的高度將會降低。針對上述問題，我們設計安裝了灰塵、油霧和水汽的過濾裝置，只有經過過濾的空氣才可以進入通光管道。

2.2.2 光路中的二氧化碳

光束傳輸時，通道內的二氧化碳會吸收部分光束的能量使傳輸通道變熱，同樣二氧化碳也會引起光束擴散角度的擴大。切割時間越長對切割質量的影響越明顯，其影響也會隨著激光功率的增大和光路長度的增加而增加。

控制光束傳輸通道內二氧化碳比例的方法一般采用以下兩種：①采用二氧化碳過濾器（也可采用吸附二氧化碳的空氣干燥器），控制光束傳輸通道內二氧化碳的比例。②采用PSA 氮氣發生器獲得高純度的氮氣，使得光束在單一氮氣中傳輸以獲得更好的質量。PSA 制氮設備原理是：PSA 空分制氮設備，以空氣為原料，以碳分子篩為吸附劑，運用變壓吸附原理（PSA），利用充滿微孔的分子篩，對空氣進行選擇性吸附，從而達到氧氮分離的目的[5]。當干燥純凈壓縮空氣進入碳分子篩時，空氣中的O2、CO2和H2O被選擇吸附進入分子篩的微孔中，而未被吸附的N2穿過吸附區成為輸出氣體。當碳分子篩吸附O2、CO2和H2O 達到飽和時，利用減壓解吸將其排入大氣中。如圖10 所示。

2.2.3 光路通道內吹氣的安裝

為了獲得良好的光束質量，我們在設計中盡可能保證光束傳輸部分的密封性，并保持光束傳輸部分被連續地吹入凈化的空氣，避免外界污染物進入傳輸通道內。

2.2.4 運動部件的防護

大部分廠家都使用可拉伸的防護護罩作為運動部件的光路防護腔體，其直徑通常需要大于光束直徑的3 倍，以避免干涉到光束的傳輸。

以下為不同種類防護護罩性能的對比：

圓形護罩容易受重力的影響而下垂，在運動中也非常容易受振動的影響，從而可能會干涉到光束。

望遠鏡型護罩通光口的大小會受到其長度的限制，而且這種類型所使用的潤滑油可能進入其內部，潤滑油蒸發后對光束的傳輸會有嚴重影響。

風琴型護罩的性能要優于前兩種類型的護罩，其內部需要有骨架支撐，并且每隔幾折需要有PVC骨架與導向零件的連接。

根據三種防護護罩的特點對比，結合公司TL3015 系列的結構特點，我們采用了風琴型的方式防護，很好地保持了光束傳輸環境的潔凈。

3 結束語

作為當代最先進和最重要的材料裁切方法，激光切割在現代工業中得到廣泛應用。本文針對光束傳輸的物理特性、傳輸環境對激光切割機光路的影響進行了分析和研究，提出了光路系統設計的方法和要點。

[1]余先照，朱華炳，馮 霄，等.數控激光切割機床開發及其關鍵技術分析[J].機電產品開發與創新，2011，24（3）：176-178.

[2]徐紅麗，王 霄，蔡 蘭．新型激光切割并聯機床的研究[J].煤礦機械，2007，28（10）：128-130.

[3]張國順.現代激光制造技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[4]周鵬飛，胡金龍，季 鵬，等.數控激光切割機光路補償措施的探討[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（5）：50-53.

[5]于迎芳．PSA——空分制氮工藝的應用[J].科技資訊，2005，26：26-27.

[6]陶 曄，陳樹明，趙志超.大功率激光切割機的導光系統設計要點[J].鍛壓裝備與制造技術，2004，39（5）：46-47.

[7]李宇順，羅敬文.中國大功率激光裝備的發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，43（3）：9-12.