孙 斌，方亮，吴许祥，陈金盛，戴树晶，丁庆伟，沈店祥
（1.江苏捷凯电力器材有限公司，江苏 扬州 225200；
2.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200）
针对Q345R 板材，传统的加工方式，如火焰、等离子切割，存在加工精度低、加工效率慢、板材利用率低、生产能耗高、断面锥度大、表面质量差、粉尘污染大等多方面不足之处，导致后续仍需增加切削，研磨，钻孔等多项工序才能制造出合格的零件。相比传统加工方式，激光切割精度高、断面锥度小、表面光滑，无需后续切削，钻孔等多项工序，直接满足零件要求。同时效率更高，污染小，大大降低了生产能耗。在传统制造业优化升级的背景下，激光切割取代传统板材切割已是大势所趋。
激光切割加工板材的质量优劣影响因素众多，本篇主要针对碳钢板（Q345R）对板材材质、光学镜片配置、激光光束BPP 值性能和实际生产中离焦量的控制为着落点进行分析和研究。
1.1 实验设备
激光切割设备选用江苏亚威机床股份有限公司生产的HLF-20000W 切割机床，实物图详见图1。机床测试配置详见表1。
表1 选用激光器参数
图1 HLF-20000W 切割机床
1.2 实验材料
实验选用36mm 厚度Q345R 碳钢板为研究对象，切割辅助气体采用99.99%的O2与激光切割喷嘴同轴输出。将切割试样设计为如图2 所示的形状以方便测量试样的断面垂直度、表面粗糙度和观察断面形貌，单位mm。
图2 试样形状
1.3 Q345R 碳钢板介绍与材质分析
Q345R 材料的化学成分见表2，Q235-A 材料的化学成分见表3。
表2 Q345R 的化学成分
表3 Q235-A 的化学成分
Q345R 为低合金钢，Q235-A 为普通炭素钢。两者间化学成分的主要区别在C 和Mn 含量的差异，而导致两种的用途和屈服强度不同。也由于化学成分的差异，在激光切割加工中配合氧气产生氧化反应而形成不同的切割断面样貌。
以36mm 板厚为例，相同切割参数下Q345R 与Q235-A 的切割断面样貌，见图3。Q345R 断面光滑，除顶部外断面纹理均匀，底部氧化层粘黏较少，断面粗超度＜Ra6.5μm，单边上下垂直误差＜0.2mm。Q235-A 断面光滑，除顶部外断面有偏白色不均匀状纹理，底部氧化层有粘黏现象，氧化层厚度约0.1mm，断面粗超度小于Ra8.5μm，单边上下误差＜0.2mm。
图3 Q345R(上)与Q235-A（下）切割断面样貌
总体判断，Q345R 板材激光切割工艺与Q235-A板材切割工艺类似，切割效率、断面垂直度和断面粗超度无明显区别。切割断面样貌Q345R 较Q235-A纹理更均匀，氧化层粘黏情况较少。
2.1 光学配置对光束性能的影响
2.1.1 光束特性参数——光斑大小
实验中选用FF200 和FF250 两款切割头进行试验，不同的聚焦镜在切割试验中所影响光斑大小，光斑大小可用公式计算
式中，λ 为波长，D 为聚焦之前平行光束直径，K为光束质量参数，衡量光束接近高斯光束的质量，通常K＜1，当光束是高斯光束时，K=1，如图4 所示。
图4 激光光束与高斯光束示意图
束腰即高斯光束绝对平行传输的地方，该处的光斑半径为束腰半径，即通俗意义上的焦点零位的光斑半径。由此计算可得光束经聚焦就的光斑，FF250mm 聚焦厚的光斑直径大于FF200mm 聚焦厚的光斑直径。
2.1.2 光束特性参数——瑞利长度与远场发散角
瑞利长度：高斯光束从束腰处传播至光斑面积增大一倍处，这两处的距离称之瑞利长度。一般认为在瑞利长度范围内，光束近似平行传播，因此也称为准直距离。束腰半径越大，准直距离越长。在瑞利长度处，光斑半径为束腰半径的倍。见图5。
图5 激光光束特性参数
远场发散角：高斯光束呈双曲线形式传播，远场发散角即渐近线的夹角。与波长成正比，与束腰半径成反比，即波长越小，束腰半径越大，发散角越小。对于任意激光束，BPP 为不变量，不随透镜、望远镜等光学系统的改变而改变。
由此计算可得FF250mm 聚焦比FF200 聚焦拥有更长的瑞丽长度和更小的远场发散角，即有效光束性能内焦点调节范围更大。
2.2 两款切割头焦点范围的差异
Precitec 两款切割头由于聚焦镜片焦距不一样，焦点位置可调节范围也不同。FF200 切割头焦点范围见图6，FF250 切割头焦点范围见图7。
图6 FF200 切割头焦点与电压线性图
图7 FF250 切割头焦点与电压线性图
200 焦距切割头与250 焦距切割头除聚焦焦深和传感器外形长度外不同，无明显硬件差异。
250 焦距切割头调焦范围为+28～-38，200 焦距切割头调焦范围为+15～-30。
2.3 切割头选型
以36mm 碳钢板Q345R 板材亮面切割为例，选择单层2.0 割嘴进行切割：覆盖到板材表面光斑直径≥割嘴出气气流直径。同样的切割条件下，焦点越高，切割断面粗糙度越低，纹路越轻，效果越好。所以从理论上分析：碳钢板板材越厚，所需排渣割缝越宽，割嘴内径相应选择变大，切割的焦点要求足够高以此满足更大的光斑直径。受限于切割头焦点范围限制，FF200 切割头无法满足焦点调节范围，遂选择FF250 切割头。
3.1 不同激光芯径对应不同BPP 值的范围
测试选用100um 激光器，其BPP 值标准范围3.3～4.0，见表4。
表4 光纤芯径与BPP 值范围值
3.2 不同BPP 值对应激光能量分布模拟仿真研究
3.2.1 BPP=3.0（图8）
图8 BPP 值为3.0 时光束能量分布示意图
3.2.2 BPP=3.5（图9）
图9 BPP 值为3.5 时光束能量分布示意图
3.2.3 BPP=4.0（图10）
图10 BPP 值为4.0 时光束能量分布示意图
以6kW 激光器/F200 切割头为例，当BPP 值由3.0 增大到4.0时，在离焦量=0 位置的光束分布，峰幅照度由1.1866E+007 watts/cm2降低到1.1553E+007 watts/cm2，以此说明在同等离焦量下，BPP 值越大，光斑直径越大，单位面积上的能量越小。
3.3 实际切割效果要求分析
以20kW 激光器/F200 切割头为例，氧气切割25mm 碳钢板，使用D1.6 割嘴，离焦量设定为+13mm。
当BPP 值=4.0，如图11 所示，离焦量设定为13mm时，切割间隙1.0mm，激光照射在板材表面的光束半径≈0.8337212，即光束直径≈1.6674424mm＞割嘴直径1.6mm，此时碳钢板氧气切割效果较好，同时也可保证割嘴不被激光烧坏。
图11 光束直径与离焦量及BPP 值为4.0 时关系图
若BPP 值=3.3，如图12 所示，离焦量设定为13mm时，激光照射在板材表面的光束半径≈0.6132118，及光束直径≈1.2264236＜割嘴直径1.6，此时碳钢板氧气切割效果不佳，纹路较重；
图12 光束直径与离焦量及BPP 值为3.3 时关系图
此时若想要BPP 值=3.3 时的碳钢板氧气切割效果与BPP 值=4.0 时一致，如图13 所示，离焦量需要增 大297.17319-292.09695 ≈5mm（13+5=18mm，PROCUTTER 切割头最高焦点位置为+15mm），此时超出FF200 切割头调焦范围，无法满足切割高质量生产需求。
图13 光束直径与离焦量及BPP 值关系图
对于碳钢板氧气加工，覆盖到板材表面光斑直径与割嘴出气气流直径大小影响板材切割断面纹路，需求激光BPP 不宜太小，测试选用BPP 值3.7 的激光器进行测试，切割40mm 碳钢板选用单层2.5 割嘴，离焦量需求到+24mm。BPP 值低于3.5 相同的光斑直径需求离焦量大于+25mm，超过两款切割的焦点调节范围。
4.1 焦点位置与板材切割
焦点位置对切割质量的好坏也起着至关重要的作用。硬件条件相同的情况下，焦点位置直接决定激光光束照射在板材表面的光斑直径大小，影响切割断面纹路质量（表5）。
表5 FF250 与FF200 切割板厚与割嘴、焦点对应表
4.2 焦点补偿功能
4.2.1 焦点校正原理
随着激光功率越来越高，切割头的镜片的热透镜效应也越来越重。机床切割过程中，光束在通过准直或聚焦镜片时，会有一部分能量被镜片吸收，镜片持续受热，导致镜片发热，镜片受热产生形变，曲率发生变化，导致焦点向正方向漂移（图14）。
图14 焦点温漂示意图
焦点校正功能开启后，可补偿偏移量，保持实际焦点位置恒定，提升切割稳定性。
4.2.2 焦点温漂的现象
开始切割时镜片温度相对较低，焦点在设定值切割，断面有纹路。
持续切割后镜片温度上升，焦点发生正方向漂移，实际焦点相对于设定值抬高，断面纹路变细。继续切割，焦点正方向漂移加剧，导致切割实际焦点过高，造成切割不良现象。见图15。
图15 碳钢板焦点温漂切割现象
4.2.3 焦点补偿方案
系统监测激光持续出光时间，根据出光时间分四个阶段线性下降补偿焦点位置。停止出光，焦点补偿功能在调整周期时间内线性恢复补偿值直到0 停止。见图16、图17。
图16 机床系统焦点补偿参数模块
图17 切割焦点与时间系数关系图
5.1 碳钢板切割工艺历程
在激光应用普及之前，加工碳钢中厚板通常用火焰切割、等离子切割、高压水切割等传统工艺。传统工艺进入市场时间较长，且成本较低，因此市场份额巨大，但传统工艺都存在一些问题，如：火焰切割割缝太宽，加工速度太慢；
等离子切割速度和精度虽有提升，但其热影响区依然较大，无法切割对精度要求高的小零件、小孔；
高压水切割的加工范围广，切割质量好，但对水质污染大，效率也较低。
随着激光技术不断成熟、成本逐渐降低，柔性化程度更高、切割速度更快、加工精度更高、更环保的激光切割设备逐步开始赢得市场认可。最初激光切割碳钢中厚板采用的是大喷嘴氧气切割，这种工艺切割端面为磨砂面，切割速度较慢，所切工件锥度也较大。
为提升加工效率，业内不断钻研，开发出亮面切割工艺。亮面切割工艺使用了更小的喷嘴，提升了切割速度，同时也提升了端面光洁度，降低了工件锥度。
5.2 客户典型工件切割
以36mm 碳钢板Q345R 为例，分析对比激光加工与等离子加工差异，见表6。
表6 激光切割与等离子切割对比
以客户生产代表性工件为例，见图18，整板切割效率对比，激光切割耗时3h35min，等离子切割耗时7h23min。激光切割较等离子切割效率提升约106%。
图18 客户典型样件
经研究测试，面对Q345R 与普通碳钢板的差异性，激光切割可胜任板材的加工需求。选择合适的光学配置和激光器光束特性，可满足对厚碳钢板加工的高品质要求。
通过光学元件对光束性能的影响研究，根据生产需求的光束特性得到合适的光学配置搭配。通过模拟仿真+实际切割测试相结合的方法，分析不同BPP 值对激光切割质量的影响。理论与实际生产相结合，面对实际生产中的透镜温漂现象，开发焦点补偿功能，为碳钢板持续稳定切割提供保障。
通过激光切割与传统板材加工的对比，分析激光加工的优劣，为生产者提供建议参考。
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