光纤激光切割头镜片污染成因及解决方案研究

周志兵，周 庆

（江苏金方圆数控机床有限公司，江苏 扬州 225127）

随着钣金加工工艺的飞速发展，激光切割机特别是光纤激光切割机成为该领域主流加工设备，市场需求呈暴发性增长，市场保有量持续增高。与此同时，此类设备在大量的实际应用中也暴露出其缺陷，典型的就是切割头内部光学镜片易污染，导致切割零件报废甚至镜片短期损坏，成为影响该设备进一步飞速发展的瓶颈。本文重点介绍切割头镜片的防污染方法，以提高镜片的使用寿命，降低维护维修成本，提高加工效率。

1 切割头介绍

目前市场上光纤激光切割机所使用的切割头大部分是德国PRECITEC公司的LightCutter切割头（图1）和ProCutter切割头（图2）两种系列。两种切割头的适用激光功率范围为：LightCutter≤2500W，Procutter≤6000W。

2 切割头污染过程分析

如图3所示，切割头内光学部件为2准直镜、3聚焦镜、4保护镜，这些镜片的污染直接影响机床的切割加工。

图1 Lightcutter切割头

图2 Procutter切割头

图3 切割头部件组成

根据长期工艺试验和大量客户使用情况分析，导致切割头污染的因素主要有如下几点：①光纤头安装方法不当；②切割头密封效果不好；③更换保护镜片方法不当；④加工控制时序不合理；⑤切割工艺数据不科学；⑥使用了不合格的切割头易损件（保护镜、O型密封圈等）；⑦最终客户操作使用不当；⑧切割头保养维修方法不当。

3 切割头防污染研究

我们难以做到切割头绝对无污染，但能通过一些方法延长污染时间和减轻污染程度，以提高切割头使用寿命，降低其维护维修成本。

针对上述列出的导致切割头镜片的污染因素，可以分别采取相应的措施如下：

3.1 改善光纤头安装方法

改善安装方法，使光纤头呈水平状态平插入切割头内部并锁紧。注意周围环境应尽量干净，如果周围悬浮颗粒（灰尘）较多，建议在凌晨6∶00即上班前进行此项工作。

3.2 改善切割头密封效果

依照目前的机械制造水平，即使是最先进的德国技术，激光切割头也不能够做到完全绝对密封，在后期的使用过程中，不可避免地会有灰尘进入从而污染镜片。究其原因，切割过程中切割头温度升高（切割头温度＜55℃情况下可以正常切割），内部气压增大，内部将会有部分气体压出切割头散发到周围环境中。切割头停止工作后（工人下班以后），内部温度下降到环境温度时，内部气压低于环境气压，外部的含有灰尘的气体将被压入切割头直到内外气压平衡，此时切割头就被污染了。

解决该问题的思路是使切割头内部气压始终保持正压（大于环境气压），隔绝环境含有灰尘气体进入切割头。

改善方法如下：

①始终向切割头内部通入干净干燥无油的气体（建议氮气，0.15bar≤压力＜0.3bar）；

②安装呼吸系统，始终保持切割头内部处于正压状态。

3.3 正确更换保护镜

更换保护镜时要求快速，并且在抽出保护镜窗盒（图3）的同时，立刻用纸胶带密封切割头上窗口（切割保护镜窗盒的安装口），另外不能让脏的东西触碰到保护镜，同时操作人员不能说话（防止唾液飞溅到保护镜上）。

3.4 合理设计机床控制时序

光的传播速度大于气体传输速度，在切割或穿刺时切割气体会滞后，激光开始加工而切割气体尚未达到所需要的压力或流量，导致保护镜污染。

改善方法如下：

①修改出光和出气（切割气体）的时序，指令出气-等待一定时间（气体等待）-出光-加工。

②在整个加工过程中始终出一定气压的气体（保护气），加工时序：指令出保护气-板材预处理（读取加工数据和定义原点等）-指令出穿刺气体-指令出穿刺激光-指令出切割气体-指令出切割激光（切割轮廓）-轮廓切割结束-快速定位到下个轮廓-指令出穿刺气体-指令出穿刺激光-指令出切割气体-指令出切割激光（切割轮廓）-轮廓切割结束-循环-切割加工结束-关闭保护气体-程序结束。

3.5 合理的切割工艺数据

使用合理的切割工艺数据会避免异常切割导致切割头污染现象的发生。

3.6 使用合格的易损件

选用保护镜和O型圈等合格的易损件对切割头的密封有一定帮助。

3.7 正确的操作方法

依照设备供应商的使用要求，正确操作使用机床。

3.8 正确的维护保养方法

确保切割头干净干燥，每天对其进行清洁。

4 结语

通过上述防污染方法的应用，光纤切割头内光学镜片的污染状况大为改善。实际应用表明，只要定期做好维护保养及多注意细节，就不会频繁出现零件切割报废的情况，延长了镜片使用寿命，提高了设备生产效率。

参考文献：

[1] LighrCutter Lasermatic Operrating Instructions.Precitec KG.Version 07/2012.

[2] ProCutter Lasermatic Operrating Instructions.Precitec KG.Version 07/2016.

[3] 蔡 诚，朱鹏程，董香龙.光纤激光切割机切割头关键技术及应用前景[J].锻压装备与制造技术.2017，52（3）：45-48.