金属激光切割机的焦点位置控制技术

　　金属激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下关键技术：

　　焦点位置控制技术：

　　激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般>10W/cm2。由于能量密度与4/πd2成正比，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝;同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅，透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割工业应用中广泛采用5〃～7.5〃(127～190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在0.1～0.4mm之间。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5〃的透镜切碳钢，焦深为焦距的+2%范围内，即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素，原则上<6mm的金属材料，焦点在表面上;>6mm的碳钢，焦点在表面之上;>6mm的不锈钢，焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。

　　在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：

　　1、打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。

　　2、斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最小处为焦点。

　　3、蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。

　　对于飞行光路的切割机，由于光束发散角，切割近端和远端时光程长短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小。为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化，国内外激光切割系统的制造商提供了一些专用的装置供用户选用：

　　(1)平行光管，这是一种常用的方法，即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理，扩束后的光束直径变大，发散角变小，使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。

　　(2)在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴，它与控制喷嘴到材料表面距离(stoff)的Z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴也同时移动，使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。