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0431-81702023
激光
透鏡聚焦數控激光切割機聚焦光束方向研究

摘要 研究了數控激光切割機在進行金屬板切割時激光束經凸透鏡聚焦的聚焦光束傳播方向的偏轉問題。找出了當激光束中心入射線與聚焦鏡(凸透鏡)光軸異面時影響聚焦光束方向的幾個入射物理量,并運用幾何光學原理給出了聚焦光束方向與它們之間的關系式,同時提出了一個調節聚焦光束方向并使聚焦光束垂直于待切割板材板面的方法。切割實驗表明,在一定的調節范圍內,采用此方法可以方便地調整聚焦光束方向。這一方法也適用于其他采用透鏡聚焦的激光加工設備,并為此類設備的聚焦光束方向調節設計提供了一個新的選擇和依據。
關鍵詞 激光技術;聚焦光束方向;幾何光學;聚焦鏡

1 引  言
    激光加工技術是涉及光、機、電、材料加工及檢測等學科的復合型先進制造技術。在能源、交通運輸、鋼鐵冶金、船舶與汽車制造等國民經濟支柱產業,激光加工技術正發揮著不可替代的作用[1]。激光切割是激光加工中最主要的一項應用技術,占整個激光加工業產值的70%以上[2]。激光切割加工過程非常復雜,影響因素又很多,如果加工工藝參數選擇不當,切割質量必然會受到很大影響[3]。在采用透鏡聚焦的數控激光切割機中,聚焦光束入射到板面的角度是切割過程中最重要的參數之一[4,5],在一般的激光切割工藝研究中,如無特別說明[6],都默認了聚焦光束是垂直入射到被加工板材表面的[7,8]。然而,在實際生產過程中這一條件很難精確滿足,即使經過精心調整的光路也仍然可能存在不可忽略的偏差,這給激光切割工藝研究用于指導生產實踐帶來了一定的障礙。本文以SLCM1225 數控激光切割機[9]為例,從聚焦鏡光路分析入手來研究與聚焦光束方向有關的因素。

 2 聚焦鏡光路分析
    在進行聚焦鏡光路分析之前,先假設激光器送到數控激光切割機的激光束是發散角為零且能量均勻呈軸對稱分布的圓光斑;另外,考慮到激光熱加工的特點,可以用入射激光束與聚焦光束的能量中心線走向來指示激光束和聚焦光束方向,分別稱為入射激光束方向線與聚焦光束方向線。顯然,符合假設條件的入射激光束能量中心線就是其幾何中心線。

2.1 數控激光切割機外光路概述
    如圖1所示[9],SLCM1225數控激光切割機在工作過程中,最理想的外光路是從激光器出來的激光束幾何能量中心線以45°角入射到圓偏振鏡的圓心,并以45°角反射出來,垂直入射到聚焦鏡以光心為圓心的圓面內,并最終垂直入射到被切割板材表面。然而,在實際生產中,光路總會有偏差,當然,這些偏差最終都會集中在最后一塊鏡片聚焦鏡上,于是入射到聚焦鏡上的入射激光束方向與經聚焦鏡聚焦后的聚焦光束方向便成了本文的主要研究對象。
2.2 聚焦鏡入射光路分類
    為研究方便,依據入射激光束方向線與聚焦鏡主軸所在直線的關系可將入射光路分為共面入射光路和異面入射光路。其中共面入射又包含垂直入射和斜入射[9],它們也可看作是異面入射的特殊情況,即當入射角為零時就變成了垂直入射,當入射角不為零但兩異面直線距離為零時就變成了斜入射。關于共面垂直入射和斜入射光路的問題此處不再深入討論,而是重點研究激光束異面入射聚焦鏡后影響聚焦光束方向的因素。

3 實驗驗證
3.1 聚焦鏡的熱效應影響
    SLCM1225數控激光切割機一般配用美國ⅡⅥ公司生產的焦距為190mm 的平凸透鏡,鏡座有水冷等散熱設計,因而在使用過程中能夠使鏡片保持良好的工作狀態,實現激光束的有效聚焦,進而完成數控激光切割機的切割加工工作。在此過程中,散熱設計很好地消除了大功率激光束對聚焦鏡的熱影響。當然,即使存在一點熱影響,也只能是其焦距大小有一點變化,而不會是其聚焦性能有變化(如散焦等),否則數控激光切割機便不能正常工作。也就是說,在激光切割過程中,聚焦鏡的熱影響可以忽略。
3.2 實驗光源選擇
    由于用于加工的激光束功率很高,不便于采用儀表對入射激光束和聚焦激光束進行測量;另外,如配套使用的激光器是CO2 激光器,則其發出的10.6μm 的激光是不可見的,也不便于測量。為此,采用650nm的紅色可見激光作為實驗光源。由3.1分析知,可以用此光源代替大功率激光光源進行實驗,來驗證能使聚焦光束折射角θ2=0°的聚焦鏡的平移量。

3.3 實驗結果
    如圖5所示,選用三軸位置控制系統承載聚焦鏡和光源,以聚焦鏡初始位置的光心犗點為原點建立空間立體坐標系,實驗中選擇幾個特定的光源坐標位置和入射角度,則激光束在聚焦鏡上的入射點犆的坐標位置不變,聚焦鏡在狓軸、狔軸方向上的位移量分別由狓軸、狔軸方向上的絲杠旋轉角度與絲杠螺距決定。在焦平面位置放置帶刻度的光屏,于是便建成了我們所需要的實驗裝置。這個實驗裝置能夠使聚焦鏡在狓狔平面內做平運動,從而使聚焦光束落在焦平面上的光點在焦平面內跟著平移;由于入射點犆的坐標位置不變,所以聚焦光束方向也就因此而發生了變化。

4 結  論
    根據討論分析及實驗可知,聚焦光束方向(聚焦光束折射角)與入射激光束入射參數犱、θ1、α 以及聚焦鏡焦距犳有關,控制聚焦光束方向可以通過聚焦鏡的平移來實現。在切割鋼板時,主要靠視覺觀察打孔時火花向四周濺射是否均勻來判斷光束是否垂直于被切割板材表面。當采用系統控制自動平移凸透鏡來調節聚焦光束方向時,應當考慮凸透鏡的光學誤差對凸透鏡平動位移量的影響。本文根據入射激光束方向線與聚焦鏡主軸異面導出的公式也包含了激光束方向線與聚焦鏡主軸共面的斜入射和垂直入射情況。從理論上講,對于所有用到透鏡聚焦的激光加工設備(如激光熱處理機、激光焊接機、激光成形機等),都可以通過聚焦鏡的平移來實現對聚焦光束方向的控制。只要偏差不大,使用這一方法進行聚焦光束方向的修正是既方便又快捷的,當然,這也需要設計并使用相應的調節機構才能實現。

 


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