激光切割中反射鏡曲率對光路優(yōu)化的應(yīng)用

耿天順　詹云

摘要：現(xiàn)今，激光加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、機械、材料加工、電子、航空航天、半導(dǎo)體、太陽能、塑膠加工、科研、印刷制圖、安防、能源和環(huán)境工程、生物光子、生命科學(xué)和制藥等領(lǐng)域。激光加工技術(shù)可對多種金屬及非金屬材料加工處理，在激光標(biāo)刻、焊接、打標(biāo)、快速成型、表面處理、維修、模壓全息、光柵制造等各方面，激光加工技術(shù)正在發(fā)揮越來越大的作用。文章分析了如何利用反射鏡曲率的改變，實現(xiàn)對二氧化碳激光切割機光路的優(yōu)化，最終改善加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：曲率半徑；焦點；光路；比例控制閥；氣壓；激光切割；反射鏡曲率

中圖分類號：TG485 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0060-03

現(xiàn)階段激光切割機采用的激光發(fā)生器主要分為氣體和固體這兩大類。就目前而言，大功率氣體二氧化碳發(fā)生器由于其價格和性能的穩(wěn)定，還是占著主導(dǎo)的地位。在氣體二氧化碳激光切割中，對工件切割質(zhì)量影響的主要因素為焦點位置、氣壓、功率、速度等。其中焦點為最關(guān)鍵的因素，而對焦點起著決定性作用的是整個光束的特性。在激光機床中，我們一般稱光束的傳播路徑過程為光路。

1 光路系統(tǒng)概述

1.激光發(fā)射器 2.激光發(fā)生器到ATFR鏡光路 3.ATFR鏡片 4.ATFR鏡到X軸反射鏡光路 5.X軸反射鏡 6.X軸反射鏡到Y(jié)軸反射鏡光路 7.Y軸反射鏡 8.Y軸反射鏡到Z軸反射鏡光路 9.Z軸反射鏡 10.Z軸反射鏡到聚焦鏡光路 11.聚焦鏡 12.加工板件

圖1

激光切割機通常采用的是飛行光路，龍門式結(jié)構(gòu)，光束從激光發(fā)生器發(fā)出，經(jīng)薄膜吸收反射鏡ATRF（Absorbing Thin-Film Reflector）、X軸反射鏡、Y軸反射鏡、Z軸反射鏡、聚焦鏡聚焦，再切割板材。光路系統(tǒng)如圖1所示。

2 實際光路中存在的問題

理想狀態(tài)下激光經(jīng)過多塊鏡片后光束直徑是保持恒定的，經(jīng)過聚焦鏡聚焦在鏡片焦點上。但實際情況中還是存在很小的發(fā)散角，這樣光束就會聚焦在鏡片焦點之后（f′＞f）。如圖2所示：

圖2

隨著整個光路長度的加長，入射到聚焦鏡上的光束直徑隨之變大。根據(jù)透鏡成像聚焦原理，發(fā)散后的焦點光斑直徑將大大增加，同時能量密度也有很大的下降，這將對切割時材料的氣化、熱影響區(qū)產(chǎn)生非常大的影響。因而將直接影響切割的質(zhì)量，甚至有些材料將會出現(xiàn)不能切斷的情況。根據(jù)實驗所得，激光發(fā)生器都有一個保證模態(tài)穩(wěn)定、良好加工的光程和光束直徑范圍。因此，在激光加工設(shè)備中需要對光

路進(jìn)行改進(jìn)，盡量保證光束直徑在合適的范圍內(nèi)。

3 光路的優(yōu)化設(shè)計

激光切割機在設(shè)計時會有一個加工范圍，比如3m×1.5m的加工臺面，同時考慮到激光發(fā)生器保證模態(tài)穩(wěn)定的光程范圍，一般整個光路長度在3.5～8m之間。由于激光發(fā)生器的自身特性和存在的一個很小的發(fā)散角以及反射鏡片的影響，光路在不到8m時，可能光束的直徑就會超過保證模態(tài)穩(wěn)定的范圍。通常改進(jìn)的方法有：

（1）定光長設(shè)計：在傳動系統(tǒng)中增加一個軸，在這個軸上加上一個反射鏡，利用軸的移動來補償光路，從而保證光路長度的恒定。缺點：由于機械結(jié)構(gòu)和電機的增加，成本很高。

（2）導(dǎo)光臂設(shè)計：利用一個恒定長度的導(dǎo)光臂跟隨軸的移動，來保證光路長度的不變。缺點：機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

（3）鏡片曲率改變光束直徑。鏡片曲率改變又分為擴束鏡（固定曲率鏡片）和壓力控制鏡片（可變曲率鏡片）。優(yōu)點：成本低，性能可靠。缺點：需要計算和實驗，選出合適曲率的鏡片。

綜合考慮，采取第三種方法是今后的一種趨

勢。在本文中詳細(xì)說明利用氣壓控制鏡片曲率改變。

在反射鏡的內(nèi)部設(shè)計有承受氣體壓力的空間，氣體經(jīng)過比例控制閥，由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)比例閥的電壓得到合適的氣壓，再進(jìn)入鏡片上的氣體接口，來改變鏡片的曲率，另外通過鏡片上的壓力傳感器，將實際的壓力反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而得到合適的曲率。如圖3所示：

1.鏡片冷卻水進(jìn)口鏡片 2.冷卻水出口氣體 3.壓力進(jìn)口氣體 4.壓力反饋

圖3

經(jīng)過實驗的測試，得到在一定的電壓下，相對應(yīng)的氣體壓力和鏡片曲率半徑。如圖4所示：

圖4

表1

壓力a（bar） 電壓b（V） 半徑c（m） 長度f′（m） 1/f′

（1/m）

0.000 0.000 －8.540 3.019 0.331

1.000 1.650 －12.460 4.405 0.227

2.000 3.310 －26.826 9.484 0.105

3.000 5.000 5000.000 －1767.767 －0.001

4.000 6.690 24.457 －8.647 －0.116

5.000 8.350 11.953 －4.226 －0.237

6.000 10.000 8.001 －2.829 －0.354

由圖4和表1得出電壓和1/ f′為線性關(guān)系：

，

若將圖1中Z軸上裝有可變曲率鏡片反射鏡，經(jīng)過的光束經(jīng)折射到聚焦鏡上。

假設(shè)入射反射鏡的光束直徑為A，則：

假設(shè)反射鏡與聚焦鏡之間的距離為B，則反射鏡射到聚焦鏡上的光束直徑D：

根據(jù)光束和聚焦鏡聚焦的特性，光斑大小由光的衍射和透鏡的球差決定。衍射形成的光斑大小為P1：

球差形成的光斑大小為P2：

最終光斑大小P：

式中：λ為光束的波長；f為聚焦鏡焦距；M^2為光束的模式參數(shù)；k為聚焦鏡折射率系數(shù)。

由計算光斑大小的方程式，對光束直徑求導(dǎo)數(shù)，得到入射聚焦透鏡的最佳光束直徑D：

若使用焦距f為127mm的硒化鋅凹凸聚焦透鏡，在入射光束為二氧化碳激光，波長λ為10.6?m時，折射率k為0.0187。取理想狀態(tài)下M^2值為1，可計算出最佳光束直徑為26mm，光斑大小為86?m。

在實際控制中將這些函數(shù)輸入到控制系統(tǒng)中，這樣就可以隨時調(diào)用程序進(jìn)行鏡片曲率調(diào)節(jié)，同時對激光的模態(tài)進(jìn)行測量調(diào)整，得到合適的光束直徑和最小的光斑，保證能量的集中，更高效地切割

板材。

4 結(jié)語

隨著激光加工技術(shù)的不斷成熟，在各領(lǐng)域的更多應(yīng)用，新型大功率、高能量密度激光器的開發(fā)和設(shè)備成本的降低，其領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴大，推動著整個加工制造業(yè)的變革。同時激光技術(shù)也融入我們的日常生活之中，在未來的歲月中會帶給我們更多的驚喜。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）