环形光斑光纤激光器优化金属激光切割工艺：不锈钢薄板切割效率更高，碳钢厚板切割质量更佳
作者：王锦军 上海飞博激光科技有限公司
光纤激光器由于光电转换率高，运行和维护成本低，易于集成等优势，从2010年开始在激光切割应用中逐渐取代了YAG棒状激光器和CO2气体激光器。2015年，全球范围内材料加工领域中的光纤激光器订单额首次超过了CO2激光器，成为一个里程碑事件。此后，光纤激光器在切割中替代CO2激光器的进程更加迅速。随着500W~6000W国产光纤激光器的成熟，光纤激光器已经成为目前国内工业激光切割机的主流激光器。
激光切割金属过程
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多次反射，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，容易造成割缝前沿中下部局部过热。
图1 激光切割时的割缝 图2 激光切割厚板时割缝前沿和侧面激光多次反射
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
图3 3000W切割22mm碳钢较好的切割断面
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。
图4 3000W切割22mm碳钢较差的切割断面
焦平面光斑能量分布类型
图5 从左至右分别为焦平面上高斯光斑、平顶光斑和环形光斑的激光能量分布示意图
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，以及本文提到的新的环形。图5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，其切割能力特点如下：
表1 不同类型光斑的光纤激光器切割能力对比
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3000W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，又需要增大光纤芯径。目前市场上的3000W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，可提高对薄板的切割能力。因此，通过优化激光能量分布，可大幅度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，从而被熔化，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。从中可以看出，在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。表1对比了环形光斑和平顶光斑3000W激光切割304不锈钢薄板的速度。可以看出，相较于普通平顶光斑3000W激光器，环形光斑3000W激光器切割1mm不锈钢板速度提升约50%；切割2mm不锈钢板速度提升约60%。
表2 环形光斑和平顶光斑3000W激光切割304不锈钢薄板速度对比
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的提升。
图6 平顶光斑3000W和环形光斑3000W切割断面对比
环形光斑3000W激光器切割碳钢厚板时，不仅切割断面质量更佳，切割速度也有提升。
表3 环形光斑和平顶光斑3000W激光切割Q235碳钢中厚板速度对比
结论
目前光纤激光器已经成为激光切割设备的首要选择。环形光斑显著提升了3000W光纤激光器的切割能力，其不仅提高了薄板的切割速度，厚板的切割断面质量也获得了大幅提高，而这两方面对提高激光切割机终端用户的生产效率和利润率大有裨益。可以预计，环形光斑光纤激光器将日益受到激光切割机制造商和终端用户的青睐，未来可期。