光路补偿措施编辑

利用扩束镜进行光束准直

光束的束腰直径和远场发散角成反比，束腰直径越大，远场发散角越小。目前扩束镜主要分为折射式和反射式两种，其原理相当于一个倒置的望眼镜。主要作用是通过增加光束的束腰直径来减小远场发散角，进而改善由于光路长度变化引起的焦点大小和焦点深度的不稳定目前，国内对光束准直方面的研究不多，其中大多数都是针对折射式的，反射式的研究较少。折射式扩束镜的设计、加工、调整都较容易，但是由于透镜容易温升过大导致镜片变形，因此，折射式扩束镜仅仅适用于小功率激光的光束准直。而对于像激光切割机这样的大功率光束准直，一般采用反射式扩束镜。但反射式扩束镜的镜面曲率半径难以通过解析的方法确定，只能通过数值拟合的方法获得，因此，设计、制造、调整都很困难。为此，通过扩束镜对光束准直的方法来对激光切割机的飞行光路系统进行光路补偿，效果甚微[1]  。

采用变曲率半径镜片（VRM）

通过调整变量泵的输出流量来改变VRM镜片内水槽中的水压，这样就可以改变聚焦透镜的曲率半径，进而改变聚焦方程中的参数f。变曲率半径镜片能够在光路长度改变时动态地调整光束的特征参数，来保持焦点半径和焦点深度的稳定。VRM系统结构复杂、成本高、需要闭环控制，国外一些技术先进的产品已经采用这种光路补偿措施。但是，国内现有技术水平，难以达到预期的使用效果[1]  。

与传统的氧乙、等离子等切割工艺相比，激光切割速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好、切边光滑，同时可激光切割的材料种类多，包括碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。随着市场经济的飞速发展和科学技术的日新月异，激光切割技术已广泛应用于汽车、机械、电力、五金以及电器等领域。近年来，激光切割技术正以的速度发展，每年都以15%~20%的速度增长。我国自1985年以来，304不锈钢板表，更是以每年近25%的速度增长。当前，我国激光切割技术的整体水平与先进国家相比还存在着不小的差距，因此，在激光切割技术具有广阔的发展前景和巨大的应用空间[1]  。

激光切割机在切割过程中，光束经切头的透镜聚焦成一个很小的焦点，使焦点处达到高的功率密度，其中切头固定在z轴上。这时，光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分热量，材料很快被加热到熔化与汽化温度，与此同时，一股高速气流从同轴或非同轴侧将熔化及汽化了的材料吹出，形成材料切割的孔洞。随着焦点与材料的相对运动，使孔洞形成连续的宽度很窄的切缝，完成材料的切割[1]  。

当前，激光切割机的外光路部分主要采用的是飞行光路系统。从激光发生器发出的光束经过反射镜1、2、3到达切头上的聚焦透镜，聚焦后在待加工材料表面形成光斑。其中反射镜片1固定在机身上不动；横梁上反射镜2随着横梁的运动作x向运动；z轴上的反射镜片3随z轴的运动作y向的运动。从图中不难看出，在切割过程中，随着横梁作x向运动，延安304不锈钢板，z轴部分作y向运动，光路的长度时刻发生着变化[1]  。

目前，民用激光发生器由于制造成本等原因，所发出的激光光束都具有一定的发散角，呈“锥形”。当“锥形”的高度改变时（相当于激光切割机光路长度改变），聚焦透镜表面的光束横截面面积也随之改变。此外，光还具有波的性质，因此，不可避免地会出现衍射现象，衍射会使光束在传播过程中发生横向扩展，该现象存在于所有的光学系统中，能够决定这些系统在性能方面的理论极限值。由于高斯光束呈“锥形”和光波的衍射作用，白钢板304，当光路长度变化时，作用在透镜表面的光束直径时刻发生着变化，这就会引起焦点大小和焦点深度的变化，但对焦点位置的影响很小。如果焦点大小和焦点深度在连续加工中发生变化，必然会对加工产生很大影响，比如，会造成切割缝宽度不一致、在相同切割功率下会割不透或烧蚀板材等[1]  。

关键技术编辑

激光切割技术有两种： 一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

激光切割机的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。在激光切割机中激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下几项关键技术：

焦点位置控制技术

激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2。由于能量密度与面积成反比，304耐磨钢板，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅，透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割机工业应用中广泛采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5〃的透镜切碳钢，焦深为焦距的 2%范围内，即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素，原则上6mm的金属材料，焦点在表面上； 6mm的碳钢，焦点在表面之上； 6mm的不锈钢，焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。

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