自适应镜在激光切割系统中的应用

文／凌步军·江苏亚威机床股份有限公司

自适应镜在激光切割系统中的应用

文／凌步军·江苏亚威机床股份有限公司

激光切割加工质量与激光焦点位置有着密切的关系，利用KUGLER自适应镜，通过数控系统控制压力的变化来调整光束的直径，从而控制整个加工范围内焦点位置的恒定。

激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、热效应低、无污染、无噪声等优点，在汽车、船舶、航空航天和电子工业中都得到了广泛的应用。激光切割加工质量与激光焦点位置有着密切的关系，在实际加工过程中，由于激光束的发散，在加工范围内其焦点位置变化大，这种激光能量聚焦不稳定的因素，直接导致了切割质量的不稳定。本文通过CNC系统控制气压，从而实时改变镜片的曲率，最终保证了焦点位置的恒定。

光路原理分析

激光通过激光器产生后，由反射镜传递并通过聚集镜照射到工件上，使工件表面受到强大的热能而温度急剧升高，使该点因高温而迅速地融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。但激光束具有发散的特点，即传输的路径越长光束直径就会越大。某激光器光束直径与转播路径的关系如图1所示，光束从激光器出发首先通过6mRCX凸镜，再通过5.2mRCC凹镜扩束处理，使其发散性收敛，两条红线之间代表激光束实际加工范围的光程。但由于激光的发散性，光束从距离激光器出口5.1m处开始发散，传输到11.1m时，光斑直径却从25.8mm变化到了29.3mm。

光束直径的变化会引起焦点位置的变化，其关系可用D=f×θ表示，其中，f为焦距，即焦点与镜片光心之间的距离；θ为激光束的发散角，由激光器自身的特性决定。可见，焦点位置f随着光束直径D的变大而变大，即随着加工距离的加大，焦点位置会向板材下表面移动（图2），导致焦点位置偏离设置的原始位置，最终使得切割质量受到了严重影响。

经测试得出，光束直径随传播路径的变化关系如图3所示。由于激光切割头的工作区域通常在5～10m之间，使得光束直径变化高达11mm，切割焦点位置有明显变化，影响了切割效果。

KUGLER自适应镜的应用

KUGLER自适应镜利用CNC控制电压的变化，根据路径的长度，实时调整气体压力，进而调整镜片曲率，从而控制光束直径，最终实现了焦距稳定性的提高。在激光切割机的光路系统中，KUGLER自适应镜所处的位置如图4所示。

运用KUGLER自适应镜的光路系统，经过反复试验，测出光束最终直径如图5所示。可见，在5～10m的工作区域内，光束直径变化仅为3mm，使得切割板料的效果更佳。KUGLER自适应镜使用的是全冲程非球面反射镜，只需按压力与焦距成反比例的关系，将压力值输入控制器，该镜面的曲率就会在1s内完成改变，使整个激光系统的控制十分方便。

通过调整自适应镜片曲率，保证了焦点位置基本恒定，且基本都在板面上（图6），使设备切割质量的稳定性大大提高，解决了工艺难题。目前，该技术经过我司多次试验论证，使用效果良好。