可变模激光器能解决钣金切割的哪些难题？
发布时间：2019-05-23
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。
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首选，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，并不能提供最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。
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。
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。