可变模激光器能解决衡水钣金切割的哪些难题？

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对钣金切割而言，激光技术早已成为成熟高效的生产方法，在世界各地有成千上万的切割系统。过去的10年里，以光纤和碟片系统为代表的固态光纤耦合激光器已经成为*选，在金属加工市场基本取代了CO₂激光器。这两种方案的工作方式类似，都是使用一个切割头，通过同轴高压辅助气体的锥形喷嘴将激光束聚焦到待加工金属上。

到目前为止，常用的激光器都使用固定的光束质量，以输出功率范围广来体现切割性能，并通过确定合适的焦斑尺寸范围来产生良好的切割效果。以“一个尺寸适用所有范围”为标准为给定的激光切割系统选择特定的聚焦光斑尺寸，用一个透镜组合来处理所有金属类型和厚度。对于一个成本低、要求简单的设备来说，这种方案可以达到很好的效果，并且针对各类金属板材都能在给定的功率下定义切割效果。

但这种方法在面对不同金属材料的不同特性时，总需要进行不同程度的让步。在使用氮气切割不锈钢时（熔化切割）需要较小发散角和聚焦光斑，而使用氧气切割低碳钢时（氧化反应切割）则需要较大的发散角和聚焦光斑。如果使用上述这种“一刀切”的方法，则很难同时兼顾熔化切割和氧化反应切割的效果。

对衡水激光切割设备制造商而言，选用一个配有电动变焦准直系统和可变扩束系统的切割头是一个不错的选择，这能在一定程度上改变焦斑大小。但如图1所示，只要光束质量恒定，并不能提供较佳的焦斑大小和发散角组合，因为与大焦斑相比，小焦斑总有着更大的发散角度。为提高熔化切割和氧化反应切割的质量，业内需要可变光束质量的激光器。

图1：光束质量为4.5 mm.mrad的激光通过芯径为100μm的光纤时焦斑大小与发散角的关系

基于这样的背景，SPI开发了一种新的激光器——可变模（variMODE）激光器，可通过控制输出光束发散角来控制光束质量。而这一切都是在激光器内部完成的，没有任何外部光学系统。SPI在激光器内安装了一个?100μm的传输光纤，使得光束质量可在3.2 mm.mrad（M²为9.5）至5.8 mm.mrad （M²为17）内进行选择。较差的光束质量5.8 mm.mrad也可与标准商用切割头的NA相匹配，确保所有的激光功率都能传输到钣金上，而不会在切割头内产生切光。从差的光束质量到好的光束质量的切换时间一般为30ms，足以实现在穿孔和切割之间进行快速切换。

图2：可变模激光器的可变光斑特征

不锈钢切割

在3kW切割测试中，SPI将variMODE激光器设置为高光束质量（3.2 mm.mrad）和小发散角，与标准产品的光束质量（4.5 mm.mrad）进行了比较。测试使用相同的切割头以两种情况下的焦斑大小相同。

测试结果如图3所示，使用高光束质量的切割速度明显快于标准光束质量。在2mm不锈钢切割中，高光束质量切割速度快45％，在4mm不锈钢切割中，高光束质量切割速度快25％。

图3：不锈钢切割效果

测试过程中，二者激光输出功率恒定保持在3kW，采用的速度都是实际可以进行生产的速度，对焦点位置和喷嘴分离高度变化具有较高容忍度。

厚碳钢切割

用氧气切割低碳钢时，在有效的光束质量范围内，切割速度没有太大的差别，但在质量上有很大改变。当使用较低的光束质量（5.8 mm．mrad）时，切边质量和加工窗口显著提高。特别是厚碳钢而言（20 mm），低光束质量切面的平均粗糙度（Rz）＜ 30μm。光束质量越高，切割边缘越粗糙、越不稳定。

此外，实验表明，采用低光束质量的切削比采用较高光束质量的切削温度要低得多。例如，当用3kW衡水激光切割20mm低碳钢时，在其他参数不变的前提下，高光束质量（3.2 mm.mrad）的试样达到190°C，对于相同的切割端面，低光束质量（5.8 mm.mrad）的试样只有110°C。更低的加工温度也能产生更低的端面粗糙度。

而在提高边缘质量的同时，低碳钢还可以切割出更细、更高的纵横比。如图4所示，3kW variMODE激光器在20mm的低碳钢上切割2.5mm宽的连杆形状，光束质量为5.8 mm.mrad，切割速度为0.7m／min。

图4：20mm碳钢窄切功能

使用可变模激光器的另一个好处是：不同的光束质量可分别用于穿孔和切割。要保证切割端面的光滑，在切割开始之前，需要在金属板上进行穿孔，对氧气切割而言这点尤为重要。脉冲激光可以提高穿孔质量，但对厚碳钢而言则需要花费很长的穿孔时间。如果采用更高的光束质量，穿孔时间则可以明显的降低。

图5、6为厚碳钢穿孔测试。从结果可见，使用variMODE激光器，可以用高光束质量穿孔，获得更快、更高质量的孔，然后切换到光束质量较低的孔进行切割。这一过程也得益于variMODE激光器的快速光束质量切换开关，同时还能避免切割过程中出现停顿，保证加工的流畅性。

图5：高光束质量穿孔

图6：低光束质量穿孔

总结

与光束质量固定的激光器相比，可变光束质量的激光器用于衡水钣金加工具有明显的优势。在相同的激光功率下，光束质量可变的激光系统性能优于固定光束质量的系统。当设置为高光束质量时，不锈钢熔化切割速度显著提高；而当设置为较低光束质量时，厚碳钢的切削速度相同，但由于工件温度较低，端面质量得到了改善，还可以进行窄轮廓的切割。

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