金属切割工艺与光斑的关系

 光斑与金属切割工艺激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射金属材料，被照射的金属材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，再借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而将工件割开。但是，在激光切割板厚度较大时，如5mm以上，割缝前沿和侧边会发生光束多次反射，并且由于割缝底部的倾角增加，底部反射点处对激光的吸收也增加，因而容易造成割缝前沿中下部局部过热。

以厚板碳钢的切割断面为例，切割断面可以分为三个区域：最上层：光束直接穿透区域，表现为精细且垂直的条纹；中间层：搁架状区，大部分光束在该区域被材料吸收；最下层：冲刷区，过热的熔融物从此区域流出切缝，并带走较多的熔化材料。由于激光在割缝中间层发生多次反射造成局部过热，最终会导致切割断面粗糙，甚至出现类似弹孔的缺陷。对于碳钢切割，缺陷一般会在中间层产生。

焦平面光斑能量分布类型

激光器的切割能力和激光能量分布紧密相关。常见的激光能量分布形式有高斯、平顶、以及最新的环形。图中光斑区域能量密度从高到低依次是：红色、黄色、绿色、蓝色。经过实际的切割验证，各种能量分布的光斑的切割能力特点如表所示。

环形能量分布光斑对激光切割能力的优化对于切割版平顶光斑的3kW光纤激光器而言，采用50μm光纤芯径可以提升薄板的切割速度；但为了提升厚板切割能力，就需要增大光纤芯径。目前市场上的3kW光纤激光器通常采用100μm光纤芯径，而采用此类型的光纤芯径会降低薄板的切割速度。如何同时兼顾薄板和厚板的不同切割需求？这对激光器而言是一道技术难关。

环形光斑中心能量密度较低，可以减少弹孔状切割缺陷，提升厚板切割能力（包括切割速度和切割质量）。同时，在此基础上采用50μm的光纤芯径，可以提高对薄板的切割能力。因此，通过优化激光能量分布，能够大幅提升对金属薄板和厚板的切割能力。
薄板不锈钢切割效率更高激光切割不锈钢时，通常采用氮气辅助的熔化切割工艺。在激光熔化切割薄板金属的过程中，金属材料吸收激光能量后转化成热能，使金属被熔化，并向切缝周边传导小部分热量。从热平衡理论计算，忽略损失的传导热量，熔化切割具有如下的经验公式：P=K*(t*v*ω)其中，P代表材料吸收的激光功率，K是一个由板材决定的固定数值，T代表板材厚度，V代表切割速度，ω代表切缝宽度。从这个公式中可以看出，在材料吸收的激光功率一定的情况下，切缝宽度ω越小，切割速度越快。采用高光束质量激光切割薄板时，切缝宽度ω可以达到极小值，因此在吸收相同激光能量的情况下，高光束质量的环形光斑激光器可以实现更高效的切割。
采用50μm细芯径的光纤，可获得更小的汇聚光斑，实现极高的光功率密度，相比于普通的100μm芯径的平顶光斑激光器，相同功率下环形光斑激光器可以大幅提升薄板切割速度。图6中对比了分别用环形光斑和平顶光斑的3kW激光切割304不锈钢薄板的速度。从图中可以看出，相较于普通平顶光斑3kW激光器，环形光斑3kW激光器切割1mm不锈钢板的速度大约提升了50%；切割2mm不锈钢板的速度大约提升了60%。
厚板碳钢切割质量更好碳钢厚板切割一直是光纤激光器在切割上的应用难点。影响碳钢切割的因素比较多，除了如气体纯度、切割头准直聚焦特性、喷嘴类型等，激光束焦平面光斑的能量分布也有重要影响。对光斑能量分布进行优化后，20mm及以上厚度的碳钢板的切割断面质量有了较大提升。

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