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對(duì)鈑金切割而言，激光技術(shù)早已成為成熟高效的生產(chǎn)方法，在世界各地有成千上萬的切割系統(tǒng)。過去的10年里，以光纖和碟片系統(tǒng)為代表的固態(tài)光纖耦合激光器已經(jīng)成為*選，在金屬加工市場基本取代了CO2激光器。這兩種方案的工作方式類似，都是使用一個(gè)切割頭，通過同軸高壓輔助氣體的錐形噴嘴將激光束聚焦到待加工金屬上。

到目前為止，常用的激光器都使用固定的光束質(zhì)量，以輸出功率范圍廣來體現(xiàn)切割性能，并通過確定合適的焦斑尺寸范圍來產(chǎn)生良好的切割效果。以“一個(gè)尺寸適用所有范圍”為標(biāo)準(zhǔn)為給定的激光切割系統(tǒng)選擇特定的聚焦光斑尺寸，用一個(gè)透鏡組合來處理所有金屬類型和厚度。對(duì)于一個(gè)成本低、要求簡單的設(shè)備來說，這種方案可以達(dá)到很好的效果，并且針對(duì)各類金屬板材都能在給定的功率下定義切割效果。

但這種方法在面對(duì)不同金屬材料的不同特性時(shí)，總需要進(jìn)行不同程度的讓步。在使用氮?dú)馇懈畈讳P鋼時(shí)（熔化切割）需要較小發(fā)散角和聚焦光斑，而使用氧氣切割低碳鋼時(shí)（氧化反應(yīng)切割）則需要較大的發(fā)散角和聚焦光斑。如果使用上述這種“一刀切”的方法，則很難同時(shí)兼顧熔化切割和氧化反應(yīng)切割的效果。

對(duì)石家莊激光切割設(shè)備制造商而言，選用一個(gè)配有電動(dòng)變焦準(zhǔn)直系統(tǒng)和可變擴(kuò)束系統(tǒng)的切割頭是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，這能在一定程度上改變焦斑大小。但如圖1所示，只要光束質(zhì)量恒定，并不能提供較佳的焦斑大小和發(fā)散角組合，因?yàn)榕c大焦斑相比，小焦斑總有著更大的發(fā)散角度。為提高熔化切割和氧化反應(yīng)切割的質(zhì)量，業(yè)內(nèi)需要可變光束質(zhì)量的激光器。

基于這樣的背景，SPI開發(fā)了一種新的激光器——可變模（variMODE）激光器，可通過控制輸出光束發(fā)散角來控制光束質(zhì)量。而這一切都是在激光器內(nèi)部完成的，沒有任何外部光學(xué)系統(tǒng)。SPI在激光器內(nèi)安裝了一個(gè)?100μm的傳輸光纖，使得光束質(zhì)量可在3.2 mm.mrad（M2為9.5）至5.8 mm.mrad （M2為17）內(nèi)進(jìn)行選擇。較差的光束質(zhì)量5.8 mm.mrad也可與標(biāo)準(zhǔn)商用切割頭的NA相匹配，確保所有的激光功率都能傳輸?shù)解k金上，而不會(huì)在切割頭內(nèi)產(chǎn)生切光。從差的光束質(zhì)量到好的光束質(zhì)量的切換時(shí)間一般為30ms，足以實(shí)現(xiàn)在穿孔和切割之間進(jìn)行快速切換。

在3kW切割測試中，SPI將variMODE激光器設(shè)置為高光束質(zhì)量（3.2 mm.mrad）和小發(fā)散角，與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的光束質(zhì)量（4.5 mm.mrad）進(jìn)行了比較。測試使用相同的切割頭以兩種情況下的焦斑大小相同。

使用高光束質(zhì)量的切割速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)光束質(zhì)量。在2mm不銹鋼切割中，高光束質(zhì)量切割速度快45％，在4mm不銹鋼切割中，高光束質(zhì)量切割速度快25％。

測試過程中，二者激光輸出功率恒定保持在3kW，采用的速度都是實(shí)際可以進(jìn)行生產(chǎn)的速度，對(duì)焦點(diǎn)位置和噴嘴分離高度變化具有較高容忍度。

厚碳鋼切割

用氧氣切割低碳鋼時(shí)，在有效的光束質(zhì)量范圍內(nèi)，切割速度沒有太大的差別，但在質(zhì)量上有很大改變。當(dāng)使用較低的光束質(zhì)量（5.8 mm．mrad）時(shí)，切邊質(zhì)量和加工窗口顯著提高。特別是厚碳鋼而言（20 mm），低光束質(zhì)量切面的平均粗糙度（Rz）＜ 30μm。光束質(zhì)量越高，切割邊緣越粗糙、越不穩(wěn)定。

此外，實(shí)驗(yàn)表明，采用低光束質(zhì)量的切削比采用較高光束質(zhì)量的切削溫度要低得多。例如，當(dāng)用3kW石家莊激光切割20mm低碳鋼時(shí)，在其他參數(shù)不變的前提下，高光束質(zhì)量（3.2 mm.mrad）的試樣達(dá)到190°C，對(duì)于相同的切割端面，低光束質(zhì)量（5.8 mm.mrad）的試樣只有110°C。更低的加工溫度也能產(chǎn)生更低的端面粗糙度。

而在提高邊緣質(zhì)量的同時(shí)，低碳鋼還可以切割出更細(xì)、更高的縱橫比。如圖4所示，3kW variMODE激光器在20mm的低碳鋼上切割2.5mm寬的連桿形狀，光束質(zhì)量為5.8 mm.mrad，切割速度為0.7m／min。

圖4：20mm碳鋼窄切功能

使用可變模激光器的另一個(gè)好處是：不同的光束質(zhì)量可分別用于穿孔和切割。要保證切割端面的光滑，在切割開始之前，需要在金屬板上進(jìn)行穿孔，對(duì)氧氣切割而言這點(diǎn)尤為重要。脈沖激光可以提高穿孔質(zhì)量，但對(duì)厚碳鋼而言則需要花費(fèi)很長的穿孔時(shí)間。如果采用更高的光束質(zhì)量，穿孔時(shí)間則可以明顯的降低。

圖5、6為厚碳鋼穿孔測試。從結(jié)果可見，使用variMODE激光器，可以用高光束質(zhì)量穿孔，獲得更快、更高質(zhì)量的孔，然后切換到光束質(zhì)量較低的孔進(jìn)行切割。這一過程也得益于variMODE激光器的快速光束質(zhì)量切換開關(guān)，同時(shí)還能避免切割過程中出現(xiàn)停頓，保證加工的流暢性。

圖5：高光束質(zhì)量穿孔

圖6：低光束質(zhì)量穿孔

總結(jié)

與光束質(zhì)量固定的激光器相比，可變光束質(zhì)量的激光器用于鈑金加工具有明顯的優(yōu)勢。在相同的激光功率下，光束質(zhì)量可變的激光系統(tǒng)性能優(yōu)于固定光束質(zhì)量的系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)置為高光束質(zhì)量時(shí)，不銹鋼熔化切割速度顯著提高；而當(dāng)設(shè)置為較低光束質(zhì)量時(shí)，厚碳鋼的切削速度相同，但由于工件溫度較低，端面質(zhì)量得到了改善，還可以進(jìn)行窄輪廓的切割。

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