光纖激光切割技術

沈海平，陳 欣，陳 陽

(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 前言

激光切割是近幾十年來發展起來的高新技術,相對于傳統的機械切割來說具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更高的材料利用率和生產效率等特點，特別是在精細切割領域，激光切割具有傳統切割無法比擬的優勢。激光切割是將能量聚焦到微小的空間，利用高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的切割方法[1]。

目前用于切割領域的激光主要為二氧化碳激光，二氧化碳激光發生器體積較大，占用場地大，對機架和導軌要求極高，難以實現多槍切割；光路完全依靠銅反鏡來傳播，光路衰減快，光路要求高，能量損失較多；激光為二氧化碳受激發產生，電光轉化率低，僅為10%。光纖激光的產生為解決以上問題提供了一個全新的思路。

1 光纖激光的結構

CO2激光與光纖激光示意如圖1所示。由圖可知，CO2激光是CO2氣體在高頻高壓下受激發，頻率10.6 μm，產生的激光經過諧振腔的偏振鏡后沿銅鏡反射聚焦而進行切割的。由于偏振鏡對激光的選擇作用，導致大部分能量都損失在激光源內，電光轉化率僅為10%。而光纖激光是采用多個多模泵浦二極管并行設置作為激光源，產生的激光通過分支在諧振腔調整后耦合進單根光纖，形成功率較高的激光。光纖激光的頻率為1.07 μm，在泵浦內多次反射后被纖芯吸收，進而在諧振腔內耦合而增強。由于采用了多模泵浦二極管，能量被分散，電光轉化率高，可達25%以上，因此光纖激光在工作時只需簡單的風冷。

圖1 激光切割機結構

2 光纖激光的能量特點

6 mm光路直徑的光纖激光和25 mm光路直徑的CO2激光經聚焦后的光路示意如圖2所示。聚焦后CO2激光光路極易發散，而光纖激光的光路恒定性很好，前者聚焦的有效深度僅為2 mm，而后者可以達到5 mm。激光的發散意味著在切割時會產生更寬的割縫，在切割厚板時需要大幅提升激光功率。

圖2 光纖激光與CO2激光能量光路尺寸

1.5kW光纖激光和3 kW CO2激光在割縫為0.35mm時的能量分布如圖3所示。光纖激光斑能量整體分布較均勻且極為集中，而CO2激光功率高一倍，但由于分布范圍廣，且能量橫向分布少，縱向分布多，大量能量都散失掉了，真正起到切割作用的部分（紅色區域）與光纖激光相差不多（來源于海寶1.5 kW光纖激光切割機數據）。

圖3 光纖激光與CO2激光能量分布

3 光纖激光切割速度

1.5kW光纖激光和3 kW CO2激光在切割中碳鋼和不銹鋼時的切割速度如圖4所示。由圖4a可知，在切割3 mm以下厚度的中碳鋼時，兩者的切割速度相差不大，隨著板厚的增加，當板厚超過4 mm時，CO2切割速度較快，其主要原因為CO2激光比較發散，在切割厚板時割縫較寬，切割氧能夠充分地順著割縫與下面的鋼板反應，從而加快切割速度。從圖4b可以看出，在切割3 mm以下厚度的不銹鋼時，光纖激光的速度快，其主要原因為光纖激光波長短，僅為CO2激光的1/10，光子能量高，不銹鋼板較易吸收；同樣可以看出在3 mm以上板厚不銹鋼的切割中，二者相差不大(來源于海寶1.5 kW光纖切割機數據）。

4 光纖激光在切割中的優點

光纖激光與CO2激光優點比較如表1所示。

5 光纖激光當前研究及應用實例

光纖激光問世時間不長，應用領域研究內容比較多，目前主要集中在優化切割工藝參數以提高切割質量、拓展應用范圍和微加工領域。切割質量的主要評價指標有：熱影響區的寬度、切口斷面波紋、切割寬度及表面粗糙度、切口斷面及下表面掛渣。

圖4 不同材料的切割速度

表1 光纖激光與CO2激光相比在切割中的優點

光纖激光光路直徑小，切割影響因素多，各種相關因素對切割質量都有著較大的影響，因此通過試驗和數值模擬尋求最佳的切割參數是目前的研究熱點，在國內研究比較多的有華中科技大學、江蘇大學等。文獻[2]系統研究了對光纖激光切割中碳鋼的參數，得出了在切割2 mm板厚的中碳鋼時，若輔助氣體為N2，最佳工藝參數為：激光功率1000W、切割速度4.5 m/min、噴嘴離工件表面距離0.5 mm、輔助氣壓1.2 MPa；激光功率增加，切縫寬度增大，掛渣先增大再減小；切割速度增加，切縫寬度減小，表面粗糙度減小，掛渣減小；噴嘴離工件表面距離增加，切縫寬度先增加再減小，變化較小，掛渣急劇增加；輔助氣壓主要影響掛渣厚度，對表面粗糙度基本沒有影響，氣壓增加，掛渣厚度迅速減小，如圖5a所示。若輔助氣體為O2，最佳工藝參數為激光功率500 W、切割速度3 m/min、噴嘴離工件表面距離0.5 mm、輔助氣壓0.7 MPa；激光功率增加，切縫寬度增加，掛渣厚度增加，條紋間距增加；切割速度增加，切縫寬度先增大再減小，表面掛渣變化不大，條紋間距先減小再增大；噴嘴離工件表面距離增加，切縫寬度先增大再減小，掛渣厚度增大，條紋間距減小；輔助氣體壓力增加，切縫寬度先增大再減小，掛渣急劇減小，條紋間距減小，如圖5b所示。文獻[3]指出纖激光在切割碳鋼時，準直鏡、聚焦鏡及光纖芯徑配置合適時才能達到較好的切割效果，在切割過程中，氣壓對切割質量至關重要，氣壓不足易產生硬渣，氣壓過大易產生條紋，應與噴嘴配合調節，以達到最佳切割效果。光纖激光的功率變化寬度較大，高于最小所需功率時，切割質量影響不大。在薄板切割中，適用于高功率、高氣壓氣割，得到的是較好的氣割質量及較快的速度；在厚板的切割中，適用于高功率、低氣壓的切割，氣割質量良好。

除了在鋼板切割外，光纖激光越來越多的被應用于精密加工中。文獻[4]研究了微孔結構血管支架的光纖激光切割工藝，不斷優化相應的切割參數，實現了光纖激光的精密加工技術，如圖6所示。文獻[5]優化了光纖激光切割參數，實現了精密齒輪的光纖激光切割。

圖5 光纖激光切割實例

圖6 光纖激光切割微孔血管支架效果

6 光纖激光的不足

6.1 安全性

在激光對人體的傷害中，對眼睛的傷害最為嚴重。對光纖激光而言更是如此，如圖7所示。光纖激光波長1.07 μm，屬于近紅外光，而波長在可見光和近紅外光的激光，眼屈光介質的吸收率較低，透射率高，而屈光介質的聚焦能力（即聚光力）強。強度高的可見或近紅外光進入眼睛時可以透過人眼屈光介質，聚積光于視網膜上。此時視網膜上的激光能量密度和功率密度提高到幾千甚至幾萬倍，大量的光能在瞬間聚中于視網膜上，致視網膜的感光細胞層溫度迅速升高，以至使感光細胞凝固變性壞死而失去感光的作用。激光聚于感光細胞時產生過熱而引起的蛋白質凝固變性是不能可逆的損傷。一旦損傷以后就會造成眼睛的永久失明。對二氧化碳激光而言，因其波長為10.6 μm，屬于遠紅外光，可被水吸收，且波長較長，光子能量稍低，對人眼的損傷程度相對較小。因此光纖激光切割一般要求封閉式切割，而CO2激光可以敞開式切割。

6.2 厚板切割和切割刻痕

圖7 光纖激光對人眼傷害示意

目前光纖激光切割還存在兩個問題：①切割厚度不夠；②厚板切割時表面刻痕較多。主要原因為光纖激光的割縫比CO2激光要細很多，而激光切割也是通過氣流將熔渣吹除，細的割縫O2很難大量吹進割縫，從而導致熔渣難以吹除，因此表面就可能出現刻痕，且難以切割16 mm以上板厚的鋼板。

另外，文獻[6]也給出了一些原因：

（1）熱損失大。切割速度的降低，切割區域的熱損失增加。熱損失的主要形式是熱傳導，厚度越大，熱傳導損失越大，切割速度也越低。掛渣的原因是切口底部的平均切割溫度很低，溫度低主要因為能量損失大。

（2）避免側向燃燒。文獻[7]指出當切割區域周圍溫度高會發生氧化反應。通常側向燃燒發生在切口頂部，為防止側向燃燒需要降低氧氣的壓力。材料越厚可供選擇的氧氣壓力范圍越窄，只有7 kPa，而薄板切割范圍有21～35 kPa。這就削弱了切口底部氧化反應，降低了熔渣去除能力。

（3）幾何形狀的差異。激光切割厚板時，熔化前沿的傾角變得突出了，這將導致材料對激光吸收系數的降低，進而降低了切割速度。

（4）切割金屬材料時，材料表面產生等離子體是阻礙切厚工件的重要原因。

7 光纖激光的發展展望

雖然光纖激光在切割行業中也有不足，但是更應該看到其具有CO2激光無法比擬的優勢。在今后，光纖激光切割的研究將會重點集中在以下幾點[6]：

（1）提升激光器性能。

有研究表明，研制更大功率的激光發生器可以有效提高切割厚度。文獻[8]使用100 kW CO2激光器切割50.8 mm厚鋼板。當功率密度達到60 kW/cm2時，切割速度400.05 mm/min。因此，光纖激光切割機也可以通過提高功率來達到增加切割厚度的效果。

（2）激光器耦合技術。

將兩臺激光器功率耦合在一起，在光束之間設置一定間距，可以減小等離子體的產生，有助于切厚板。文獻[9]采用耦合技術切割鋼板，如圖8所示。第一束激光使部分區域的材料加熱至熔化和氣化；第二束激光在第一束激光的基礎上將材料加熱至汽化。與單一激光束相比，雙光束激光切割厚度和切割速度都更大，切割質量也很理想。

（3）自適應光學系統。

圖8 雙光束切割示意

文獻[10]使用自適應光學系統激光切割16 mm板厚的低碳鋼，如圖9所示。其焦點位置沿著材料厚度方向上下波動幾個毫米，焦點位置的偏移導致自適應光學系統中焦距的改變。焦點位置周期性變化影響切割過程，可以得到高質量的切口。

圖9 自適應光學系統切割示意

（4）雙聚焦法。

雙聚焦法[11]是采用特殊的透鏡使光在不同部位兩次聚焦，如圖10所示。由于D1與D2曲率半徑相差較大，形成了雙焦點。切割過程中，上焦點位于工件上表面，下焦點位于工件下表面附近，使金屬的整個切割面保持高強度的激光，能滿足整個厚板切口的能量需求，從而提高切割鋼板的厚度和質量。

（5）噴嘴改進。

切割輔助氣體的流場特征對切割能力也有著較大的影響。文獻[12]報道了超音速噴嘴內壁直徑先收縮后放大，可在出口處產生超音速氣流，供氣壓力大但不產生激波從而將切縫中的熔化金屬快速吹走，提高切割能力和切割質量。

圖10 雙聚焦切割示意

8 結論

光纖激光以其高電光轉化率、高切割精度、柔性加工能力、良好的切割質量和適應性能將會在切割領域得到更加廣泛的應用。不斷研究高性能的光纖激光器、開發先進的光學切割方法及配套裝置、尋找各種切割狀態下最佳的切割參數、提高切割安全性，將會給光纖激光切割帶來更加廣泛的應用，真正實現高效、節能、精密的切割。

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