蔡 誠(chéng)，朱鵬程，董香龍

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

光纖激光切割機(jī)切割頭關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景

蔡 誠(chéng)，朱鵬程，董香龍

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

介紹了激光加工技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，重點(diǎn)說(shuō)明了光纖切割頭的功能部件及關(guān)鍵技術(shù)，并指出了切割頭的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

激光切割機(jī)；切割頭；光纖；調(diào)焦；割嘴；非接觸式電容傳感器

以德國(guó)、美國(guó)、日本、意大利等為代表的少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)和控制著全球激光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。歐美主要國(guó)家在大型制造業(yè)如機(jī)械、汽車、航空、造船、電子等行業(yè)中，基本完成了“光加工”時(shí)代。

隨著全球制造業(yè)中心向中國(guó)轉(zhuǎn)移，我國(guó)數(shù)控激光成套設(shè)備市場(chǎng)需求年增長(zhǎng)速度達(dá)50%以上，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，激光技術(shù)及裝備從無(wú)到有，已逐步形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模[1]。激光產(chǎn)業(yè)中的核心技術(shù)是制約我國(guó)激光行業(yè)快速健康發(fā)展的重要因素。打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代是激光加工發(fā)展道路上的重要課題。

1 切割頭的主要組成部分

激光切割技術(shù)是利用切割頭將激光器發(fā)出的激光聚焦成高功率密度的激光，使照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，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(kāi)[2]。如圖1所示。

切割頭是激光切割機(jī)的重要組成部分，主要由光纖連接塊、準(zhǔn)直部分、聚焦部分、保護(hù)鏡盒、本體、非接觸式電容傳感器、割嘴及控制系統(tǒng)組成。如圖2所示。

光纖連接塊：光纖導(dǎo)入切割頭的接口部分，常見(jiàn)的有QBH接口、QD接口，還有QCS、RK接口等。

圖1 激光加工技術(shù)原理

圖2 切割頭主要組成部分

準(zhǔn)直組件：將出自光纖的發(fā)散光收斂起來(lái)，將其拉直或準(zhǔn)直。準(zhǔn)直組件還包括準(zhǔn)直對(duì)中部分和水冷卻部分。

聚焦組件：置于本體內(nèi)，將準(zhǔn)直后平行的激光束聚焦，切割工件。通過(guò)聚焦組件的調(diào)焦部分可以改變焦點(diǎn)位置，以滿足切割不同材料和不同厚度板材的需求。

保護(hù)鏡盒：用于將外界與切割頭內(nèi)部光路隔絕，保證光路密封，防止灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入光路，延長(zhǎng)光纖切割頭的使用壽命。

傳感器及控制盒：能使切割頭與工件表面之間的距離長(zhǎng)期、可靠地保持穩(wěn)定，為獲得最佳的切割質(zhì)量提供保證。

割嘴：安裝在切割頭前端，是激光束和鋪助氣體的排出通道。輔助氣體經(jīng)過(guò)割嘴內(nèi)腔后形成高速氣流，將融熔材料吹走，達(dá)到切割的目的。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光斑直徑和焦深

如圖3所示，把激光聚焦到焦點(diǎn)時(shí)，形成的光斑直徑是計(jì)算被加工物上能量密度的重要數(shù)值，與激光切割質(zhì)量有著重要聯(lián)系。光纖的光斑直徑取決于準(zhǔn)直單元焦距、聚焦單元焦距、光纖芯徑。

圖3 光纖切割頭光路原理圖

以芯徑100μm的光纖，準(zhǔn)直100聚焦125為例，

如圖4所示，焦點(diǎn)深度是指在焦點(diǎn)附近能得到與聚焦點(diǎn)處光斑直徑大小基本相同光斑的范圍，變化范圍為±5%[3]。

式中：φ——入射于透鏡的光束直徑；

dFocus——光斑直徑；

圖4 焦點(diǎn)深度

λ——激光束的波長(zhǎng)；

Zd——焦點(diǎn)深度；

BPP——光束參數(shù)乘積。

2.2 焦點(diǎn)調(diào)節(jié)

為使激光切割機(jī)切割板材精度高且斷面光滑無(wú)毛刺，切割頭的焦點(diǎn)控制非常關(guān)鍵。切割過(guò)程中，割嘴和工件間的距離約為0.5～1.5mm，可以看作一個(gè)固定值，這樣就不能通過(guò)整體升降切割頭的方式來(lái)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置。

通常調(diào)焦有三種方法：移動(dòng)聚焦鏡調(diào)焦（F軸）、變曲率發(fā)射鏡（VRM）調(diào)焦、準(zhǔn)直調(diào)焦。

2.2.1 F軸調(diào)焦

如圖5所示，F(xiàn)軸調(diào)焦就是改變聚焦鏡的位置來(lái)改變焦點(diǎn)位置，聚焦鏡下降，焦點(diǎn)位置就下降；反之，焦點(diǎn)位置上升。如果采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)聚焦鏡上下運(yùn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。

圖5 F軸調(diào)焦

2.2.2 變曲率鏡調(diào)焦

另一種調(diào)焦方法就是在光束進(jìn)入聚焦鏡之前放置一個(gè)變曲率發(fā)射鏡，通過(guò)改變變曲率鏡背面冷卻水的壓力來(lái)改變它的曲率，進(jìn)而改變光束的發(fā)散狀況，達(dá)到焦點(diǎn)上下移動(dòng)的效果。當(dāng)水壓增加時(shí)，變曲率鏡向外彎曲，平行光束經(jīng)變曲率鏡后變得發(fā)散，焦點(diǎn)位置向下移動(dòng)（相對(duì)于零焦點(diǎn)）；反之，光束變得收斂，焦點(diǎn)位置向上移動(dòng)。如圖6所示。

調(diào)焦控制過(guò)程是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)和壓力傳感系統(tǒng)的反饋進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，作為變曲率鏡的輸入控制信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)反饋的信號(hào)實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束質(zhì)量和聚焦特性的自適應(yīng)調(diào)控，達(dá)到調(diào)焦的效果。

圖6 變曲率鏡調(diào)焦

2.2.3 準(zhǔn)直單元調(diào)焦與變焦

另外一種調(diào)焦方案是通過(guò)改變準(zhǔn)直單元里的調(diào)節(jié)透鏡來(lái)改變焦點(diǎn)位置。透鏡在光軸上的位置可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可手動(dòng)調(diào)節(jié)。

為了改變焦點(diǎn)位置，準(zhǔn)直單元將沿著光軸方向（Z向）移動(dòng)，這將導(dǎo)致光斑不再被準(zhǔn)直。當(dāng)準(zhǔn)直單元向光纖端（Z軸正向）移動(dòng)時(shí)，光束將變得發(fā)散，導(dǎo)致焦點(diǎn)位置將接近工件（向Z軸負(fù)向移動(dòng)）。反之，光束變得收斂，偏離工件方向（向Z軸正向移動(dòng)）。值得一提的是焦點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，光斑直徑會(huì)略微變化。如圖7所示。

圖7 Z方向的聚焦位置

準(zhǔn)直單元的透鏡還可以改變準(zhǔn)直焦距的方式移動(dòng)，從而達(dá)到改變光斑直徑（變焦）的效果。如圖8所示。

圖8 光斑直徑調(diào)節(jié)

根據(jù)光斑直徑計(jì)算公式，當(dāng)準(zhǔn)直焦距變小時(shí)，光斑直徑變大；反之，光斑直徑變小。同樣，光斑直徑變化時(shí)，焦點(diǎn)位置也略微發(fā)生變化。

光斑直徑調(diào)節(jié)（變焦）的應(yīng)用意義主要體現(xiàn)在厚板穿孔和厚板切割。

脈沖穿孔時(shí)可以合理采用調(diào)焦和變焦技術(shù),大大提高穿孔效率。

切割薄板時(shí)調(diào)小光斑直徑，這樣切縫窄，熱輸入少，能量密度高，熔融能力大，在高速切割中發(fā)揮重要作用。切割厚板時(shí)調(diào)大光斑直徑，切縫寬度增加，有利于熔融金屬順利流淌；而且可以獲得較大的焦深，切割斷面垂直度好（即切縫坡度?。?，大大提高切割質(zhì)量[4]。

一般而言，短焦距聚焦鏡（小光斑直徑）適用于薄板切割；長(zhǎng)焦距聚焦鏡（大光斑直徑）適用于厚板切割，然而，通過(guò)變焦技術(shù)可以兼顧短焦距和長(zhǎng)焦距的特點(diǎn)，使激光切割機(jī)無(wú)需人工干預(yù)地切割不同厚度和種類的板材，大大提高了生產(chǎn)率。圖9是某切割頭利用變焦技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同板厚切割的實(shí)例。

圖9 變焦技術(shù)原理圖

2.3 割嘴與傳感器

2.3.1 割嘴

影響激光切割效率的關(guān)鍵因素之一就是切割頭中割嘴的形狀及其產(chǎn)生的流場(chǎng)特征。合理的輔助氣體類型與流場(chǎng)不僅能提高加工能力，而且使熱影響區(qū)限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，保證加工質(zhì)量。這不僅要求割嘴承載較高的氣體壓力，而且要求氣體壓力能全部轉(zhuǎn)換為氣體的動(dòng)能將熔融金屬和部分熱量從切口中吹走。

隨著切割板材厚度的增加，需要增加輔助氣體壓力，改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，把熔融金屬盡快從切口中排出。一個(gè)品質(zhì)優(yōu)良的割嘴可以依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理利用割嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)消除氣流場(chǎng)中的激波，使壓力能全部轉(zhuǎn)換為速度能，實(shí)現(xiàn)超音速出流，從而保證激光切割效率和切割質(zhì)量[5]。

2.3.2 傳感器

激光切割過(guò)程中，切割頭與工件之間的距離是極其重要的因素，直接影響著切割質(zhì)量。在切割過(guò)程中要避免切割頭與工件突起處發(fā)生碰撞，造成割嘴、切割頭或工件損壞，就必須在切割頭上安裝專門(mén)的傳感器，自動(dòng)檢測(cè)到距離變化并依此自動(dòng)調(diào)節(jié)，使切割頭與工件的距離保持一定，從而保證切割質(zhì)量穩(wěn)定，增加過(guò)程安全性。如圖10所示。

圖10 高度自動(dòng)調(diào)節(jié)示意圖

切割頭中用的傳感器多為電容非接觸式傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨力高、發(fā)熱小，目前該類傳感器的尖端技術(shù)主要掌握在美國(guó)、日本和該領(lǐng)域的龍頭企業(yè)中，其中德國(guó)Precitec公司生產(chǎn)的LasermaticZ最為知名[6]。

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著激光切割機(jī)的日益發(fā)展，切割頭的重要性越來(lái)越凸顯。近年來(lái)自動(dòng)調(diào)焦切割頭的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中德國(guó)Precitec最新產(chǎn)品Procutter采用準(zhǔn)直鏡調(diào)焦，該系列的自動(dòng)調(diào)焦切割頭頗受激光切割機(jī)制造商和客戶青睞。為滿足不同種料不同厚度板材加工的需求，切割頭龍頭企業(yè)（如IIVI-HIGHYAG和Precitec）紛紛推出調(diào)焦與變焦相結(jié)合的切割頭，其中IIVI-HIGHYAG推出的BIMOFSC-MZ系列可獨(dú)立設(shè)置焦點(diǎn)位置和焦點(diǎn)直徑，其焦點(diǎn)位置可在+10～-30mm調(diào)節(jié)，放大倍數(shù)在1.2～3.2之間[7]，在厚板切割中發(fā)揮重要作用，尤其是切割厚鋁板或不銹鋼厚板，切割斷面得到保證；德國(guó)Precitec在2016年3月慕尼黑上海光博會(huì)上新推出Zoom激光切割頭，亦可實(shí)現(xiàn)調(diào)焦與變焦相結(jié)合，旨在引領(lǐng)下一波市場(chǎng)趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了切割頭的調(diào)焦和變焦技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)。隨著鈑金加工市場(chǎng)的快速發(fā)展，用戶對(duì)切割頭的要求越來(lái)越高，越來(lái)越多樣化，促使切割頭制造商不斷提高質(zhì)量、研發(fā)新產(chǎn)品，以滿足客戶的需求。

[1]唐霞輝.激光加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].金屬加工：熱加工，2015，（4）：16-19.

[2]洪 濤.激光切割頭用電磁懸浮驅(qū)動(dòng)器研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]II-VI Infrared.Optics Catalog and Reference Guide[M].II-VI Incorporated，2016.

[4]金岡優(yōu).圖解激光加工實(shí)用技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[5]郭紹剛.激光切割中高壓輔助氣體流場(chǎng)分析與噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[6]李 明.激光切割頭與工件距離檢測(cè)系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[7]II-VI HIGHYAG.Technical specifications of BIMO-FSC Laser cutting head[M].II-VI Incorporated，2016.

Key techniques and application prospect of fiber laser cutting head

CAI Cheng,ZHU Pengcheng,DONG Xianglong
（Jiangsu Yawei Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225200,Jiangsu China）

The current status of laser processing technology at home and abroad has been overviewed in the text.The functional parts and key techniques of fiber laser cutting head have been mainly introduced.The development direction and application prospect of laser cutting head have been pointed out.

Fiber laser cutting head;Adjustment of focal position;Adjustment of focal diameter;Nozzle;Non-contact capacitance sensor

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.011

1672-0121（2017）03-0045-04

2016-12-09；

2017-03-05

蔡 誠(chéng)（1970-），男，高級(jí)工程師，激光裝備技術(shù)部副部長(zhǎng)，從事激光類產(chǎn)品研發(fā)。E-mail：cai.cheng@yawei.cc