半導體激光（guāng）切割金屬薄板工藝
2017-4-6 來源：上海理工大學 作者：蔡錦達，陳濤，王（wáng）穎（yǐng），陟俊傑
摘要：本文使用高亮度半（bàn）導體（tǐ）激光器作為光源，對不（bú）鏽鋼和碳鋼板材（cái）進行了（le）激光切割（gē）實驗。實現（xiàn）對半導體激光切割可行性的驗證，並（bìng）對切（qiē）割過程進行（háng）全（quán）麵分析。實驗表明：在以氧氣做輔助氣體（tǐ）時，大部分切（qiē）割能量來自（zì）於材料（liào）的氧化過程，而激光（guāng）輸出能量推（tuī）動氧化反應持續進行；以氮氣為輔（fǔ）助（zhù）氣體時，激光的功率密度和激光的總（zǒng）輸出功率是影響切割結果的主要（yào）因（yīn）素（sù）；500 W 半導體激光適合切割 3 mm 左右的金屬板材，切割效率與光纖（xiān）激光接近（jìn），並且可以得到相似的（de）切割（gē）表麵和切縫形態。結合氧助激光切割碳鋼的工藝特點，通過優（yōu）化方案可提高半導體激光對碳鋼的切割能力，使此功率水平（píng）的半（bàn）導體激光在氧氣輔助條件下可以成功切割 6 mm 厚度碳鋼板。
關鍵詞：半導體（tǐ）激光；激光切割；光纖激光；切割工藝
0 .引言
傳統的大功率半導體激光器由於散（sàn）熱（rè）的需要和封裝技（jì）術的製約等原因，光束質量較（jiào）差（chà），亮度低，無法滿足大多數（shù）加（jiā）工的要（yào）求。而近年來半導（dǎo）體激光技術已將亮度發展（zhǎn）到接近光纖激光器的水平。但（dàn）這些新型（xíng）的產品價格依（yī）然很高，並且（qiě）由於工藝穩定等原因，尚未得（dé）到推廣。因此如何利用已經批量化工業化的（de）傳統半導體激光器，如列陣，是半導體激（jī）光應用中亟待解（jiě）決的熱（rè）點問題。
目前，國內外高亮度半導體激光器的應用仍在起步階段，激光（guāng）切割的研究主要集中（zhōng）在 CO2 激光和光纖激光對金屬厚板的（de）切割[1-3]。Costa Rodriguesn 等人[4-6]率先（xiān）使用大功率半導體激光器（qì）對金屬進行切割實驗，
將半（bàn）導體激光（guāng）同 CO2 激光以及光纖激光從功率和光束特點（diǎn）的（de）角度作出了對比分析，並對半導體激光在（zài）金屬切割上的應用給予（yǔ）了肯定。但傳統半導體激光在切割方麵（miàn）的應用尚無報道。故此研究將為金屬的（de）激光切割機理和工藝技術提供有價值的數據。
1.實驗裝置及過程
本文采用最大功（gōng）率輸出為 500 W(型號 S500-NIR-2)、光纖芯（xīn）徑 0.2 mm 的高亮度半導體激光（guāng）係統。係統通過半導體（tǐ）激光混波、光學整形、耦合，由光纖輸出連續（xù）激光，光束（shù） 98%的能量在（zài） NA0.18 內。耦合輸出的激光由光纖傳輸到需要加工的工件上方，並經過光學係統聚焦於待加工材料表（biǎo）麵。實驗中使用的切割頭也是非常重要的組成部分，它的設計是使得光學係統（tǒng）滿足光束 NA 的要求（qiú），如圖 1。
圖 1 切割頭實（shí）物(a)和（hé）原理圖(b)
2.實驗結果
在切割過（guò）程中，氧（yǎng）氣作（zuò）為切割輔助氣體，在激光能量（liàng）持續輸出時，輔助氣體與工件之間會發生氧化反應（yīng），釋放出大量的能量。但氧化反應同樣會導致不鏽（xiù）鋼材料的切縫變粗糙。而在此條（tiáo）件下（xià），碳鋼的切麵上（shàng）則會形成（chéng）一層光滑的氧化膜（mó），切麵質量（liàng）良好。故根據實際加（jiā）工需求，一般采用氧氣輔助切割碳鋼，氮氣作為切（qiē）割不鏽鋼輔助氣體。表 1 展示了在兩種情形下，滿足可接受（shòu）表麵質量條件下的最大切割速度，表明在可接受切縫氧化的加工中，氧氣輔助切割的效率比氮氣更高。
表 1 500 W 半導體激光切割不（bú）同厚度金屬（shǔ）薄（báo）板（bǎn）
對（duì）於氧助切割碳鋼，實驗表明：對於 3 mm 厚度以內，離焦量定（dìng）在+0.3 mm~+0.5 mm，切割效果較好。而氮氣輔助切割不鏽鋼板，一般設（shè）定離焦量為（wéi） 0 mm。當（dāng）工（gōng）件較厚（hòu）時，光斑在切縫底（dǐ）部的尺寸會相應變大，從而使功率密度減小，切縫質（zhì）量變差。故隨著（zhe）厚度的（de）增加，可以（yǐ）適當將焦（jiāo）點向（xiàng）內移動（dòng）。
3.分析與討論
3.1 切割效率分析
激光切割效（xiào）率主要由激光束的能量大小和被切割材料本身的物理性質決定（dìng），與激（jī）光器功率、輸出激光光束質量、材料厚度和材料各理化性質等因素有關。在加工過程中，切割速度對（duì）切割（gē）效（xiào）果的影響顯著：速度過低，單位時間內輸入能量過高，會發生過燒現象；隨著切（qiē）割速度的提高，在（zài）一定速度範圍內，切縫（féng）寬度趨（qū）於穩定，切麵條紋（wén）分布細密均勻；當速度繼續增大，熔穿速度小於切割速度，熔渣無法從切縫中順利排出，導致熔渣中的熱量持續對切縫作用（yòng），熱影響區（qū）擴大，切麵（miàn）條（tiáo）紋紊亂，導致（zhì）切割失敗。 實驗參照（zhào）來自華（huá）工激光的 500 W 光纖激光切割數據[7]，並與半導體激光切割（gē）實驗對比。
如圖 2 所示，兩種激光器在切割金屬薄板中，無論是（shì）最（zuì）高切割速度或者最大切割厚度（dù），光纖激光器都顯示（shì）出非常明顯的優勢。但是在工（gōng）件（jiàn）厚度為 1 mm~2 mm、氧氣做輔（fǔ）助氣體的（de）條（tiáo）件下，兩種激光器的切割（gē）能力接近，最大切割速度幾乎相同。而以氮氣作為輔助氣體進行（háng）切割時，光（guāng）纖激光器切割效果明顯優於（yú）半導體激光器。原因（yīn）有如（rú）下幾（jǐ）點：
1) 相同功率下，半導體激光光束質量不及（jí）光纖激光。故在極限表現效果（guǒ）上，如 0.5 mm 薄（báo）板的最大（dà）切割速度、能夠實現切（qiē）割的最大工件（jiàn）厚度，光纖激光切割表現（xiàn）比半導體激光更好。
2) 對於激光的氧助切割，輔助氣體不僅起著冷卻切縫邊（biān）緣和去除熔融金屬的作用（yòng），還（hái）會與工件（jiàn）發生氧化反應，放出大量能量。此時，切割（gē）能量主要來自於碳鋼的氧化反應[8]，激光能（néng）量持續推動氧化（huà）反應的（de）進行，故兩種類型激光此時的切割效率（lǜ）相近。
3) 當輔助（zhù）氣體為氮氣（qì）時，激光（guāng）的光束質量成為決（jué）定切割效（xiào）果的主要因素，故光纖激光的切割效果優於半導體激（jī）光。
光纖激光器的光纖直徑一般在 0.1 mm 以內（nèi）。由式(2)可知，相同條件下，光纖激光的功率密度是實驗用半（bàn）導體激光的 4 倍以上（shàng）。圖（tú） 2 曲（qǔ）線所示，當（dāng）其他條件相同，光纖激光切割速度約是半導體（tǐ）激光切割的 3~4倍。證明（míng）激光的功（gōng）率密度是影響切（qiē）割效率的重（chóng）要因素。
圖 3 是使用百瓦（wǎ）級單模光纖激光，氮氣輔助切割不（bú）鏽鋼板的速度曲線（xiàn）。由圖可知，切割厚度在 0.5 mm以下的薄板時，300 W 光纖激光與本實驗中（zhōng）的 500 W 半（bàn）導體激光（guāng）器相比，由於其功率密（mì）度更高，切割速度更高。從功率（lǜ）密度角度估計，500 W 半導體激光與 200 W 光（guāng）纖激光(光（guāng）纖（xiān）芯徑為 0.1 mm)相近，因而它們的切（qiē）割效率（lǜ）相似。當（dāng）工件厚度持（chí）續增加，觀察切割曲線可知：盡（jìn）管 300 W 光纖激光的功率密度約為 500 W 半導體激光的 2.4 倍，輸出功率是半導體激光的 0.6 倍，但對厚度在 1 mm 以上工件（jiàn）的切割能力比（bǐ）半（bàn）導（dǎo）體激光差。故在此階段，激光輸出功率對（duì）切割的（de）影響比功率密度大。同（tóng）時也說明（míng）金屬板材的激光切割不僅要滿足功率密度要求，還需要保證激光（guāng）的總輸出功率。
圖 2 不同輔（fǔ）助氣體切（qiē）割（gē）不鏽鋼速度對比
圖（tú） 3 300 W 光纖激光器（qì）薄板切割實驗參數[9]
3.2 切（qiē）縫對比分析（xī）
由於激光切割的目標就是（shì）在工（gōng）件上形成預設路徑的高質量切縫（féng），故切縫的質量是衡量切割效果（guǒ）的重要標準。在切割的過程中，隨（suí）著工件厚度的增加，切縫成為切割的決定性因素和關鍵（jiàn）難（nán）點。
下麵通過半導體激光和光纖激光進行切割加工後，工件上切縫（féng）形狀的對比來探究兩者的加工特點。
圖 4 為 3 k W 光纖激光器對 4 mm 不鏽鋼板切割的切縫[10]，A.I ,A.II, AIII.分別對應不同（tóng）光束聚焦半徑，分別是 50 μm, 93 μm ,159 μm。圖 4(a), 4(b), 4(c)對應的是不同條件下的切縫切麵形態圖，4(d), 4(e), 4(f)對應的是切縫幾何形態。從圖中（zhōng）可以看（kàn）到，A.I ,A.II, AIII.三個條件下，切縫切麵的條（tiáo）紋分為三個部分：靠近上（shàng）表（biǎo）麵部分的條紋細密並且垂直；靠近下表麵的條紋區域較大，條紋傾（qīng）斜且紊亂，單個條紋傾斜；在上述兩區之間的是第三（sān）部分，條紋質量介於之間（jiān）。總體上，三（sān）種條件下（xià），4(a)、4(b)條紋傾斜，而 4(c)條紋近似垂直；4(d)切縫兩側幾乎平行，4(e)、4(f)在工件厚度中間位置的切縫（féng）寬（kuān）度相對較窄，靠（kào）近上表麵寬度最寬。
對（duì）比本實驗（yàn）中得到的切縫切麵如圖 5。圖 5(a)、圖 5(c)對應切割速度為 1.2 m/min，圖 5(b)、圖 5(d)對應切割速度為（wéi） 1.7 m/min。切麵條紋都呈（chéng）近似垂直狀態，沒（méi）有明顯的（de）區域分界，並且單個條紋連（lián）續（xù），整體沒有明顯變化趨勢。條紋接近上表麵（miàn）部分比較細密，往下逐漸變粗，它的整體條紋特點同圖 4(c)相似。
綜上，半導體激光切割得到切縫的幾何特征與光纖激光（guāng）切割結果相似（sì）。同時實（shí）驗（yàn）也驗證了 4 mm 以下薄板切割的切麵條紋近似垂直且切縫寬度無明顯變化（huà）[10]。這（zhè）一（yī）結論（lùn）在（zài）半導體激光切割中同樣適用。
圖 4 光纖激光器切割 4 mm 不鏽鋼（gāng）板（bǎn）的微觀結構（gòu）
圖 5 本實驗半（bàn）導體（tǐ）激光器切割 1 mm 不鏽鋼板的微觀結（jié）構
3.3 切割優（yōu）化分析
在金屬切割應用上，與光纖激光相比，半導（dǎo）體激光由於光束發散角較（jiào）大(本實驗中為 20°24°)、焦深短，很難完成對厚板材的切（qiē）割加工，因此本文將 500 W 半導體激（jī）光的切割目標（biāo）定位在 3 mm 以（yǐ）內（nèi）的薄板。
實驗采用自主設計的半導體激光適配切割頭。在設計切割頭光學係統時，既需滿足切割功率密度要求，得到（dào）盡可能小的焦斑尺（chǐ）寸（cùn）；還要保證一定的光束焦深，使得當激光作用在（zài）切縫（féng）靠近（jìn）工件下表麵部分時，光斑增（zēng）大程度仍然可（kě）以保證足夠的（de）功（gōng）率密度。綜合考慮（lǜ），切割頭中采用了 1:1 成像的光學係統。
由（yóu）焦深公式：
式中：λ 為波長，D 為聚焦前平行（háng）光束直徑，k 為光束質量參數，評價光束接近高斯光束的質量，通常（cháng） K<1。高斯光束（shù）中（zhōng），k=1。
在氧助（zhù）半導體激光切割（gē）碳鋼板實（shí）驗（yàn）中，工件厚度小於 4 mm 時，離焦量一般為（wéi）+0.3 mm~+0.5 mm，此時（shí）投射在工（gōng）件表麵的光斑尺寸大於最小光（guāng）斑。因此，根據式(1)和式(3)，可以通過改進切（qiē）割頭光學係（xì）統（tǒng）將焦（jiāo）點處光斑尺寸增大。此方案可以在滿足功率密度同時延長焦深，從而拓展半導體激（jī）光切割碳鋼的厚度範圍。在加工時相應（yīng）地減小離焦量。但這種犧牲最小焦斑尺寸彌補焦深的光學係統，根據上述分析，顯然不適用（yòng）於對激光功率密度要求嚴格的氮氣輔助激光切割加工。因此，本文設計（jì）了另外一（yī）套切割頭光學係（xì）統，針（zhēn）對用（yòng）於在厚度上拓展半導體激光對（duì）碳鋼的加工能力。
表 2 為兩種切割頭光學係（xì）統的主要參數（shù），A 型為通用型，1:1 成像，而 B 型準直焦距變為 50 mm，由式(1)可知，成像比例為（wéi） 5:8。由此（cǐ）可得，B 型光學係統焦斑尺寸變大（dà）的同時，焦深也得到一定程度的延長。
表 2 兩種切割光學係統參（cān）數（shù）
表（biǎo）2
圖 6 和圖 7 為兩種光學係統下得到的切麵形態。可（kě）以看出，使用 A 型光學係統加工時，在板（bǎn）厚增（zēng）至 3 mm時會產生明顯的切麵（miàn）條紋（wén），切割質量降低；在切割 4 mm 厚度碳鋼（gāng）時，由於切（qiē）麵質量較（jiào）差而切割失敗。而B 型光學係統條件下切割 6 mm 厚度碳鋼板才會出現相似傾（qīng）斜的切麵條（tiáo）紋。
圖 8 表示在兩種光（guāng）學係統下的切割速度（dù）對比。可以看到，切割 1 mm~3 mm 厚度的碳鋼板，使用 A 型光學係統時，半導體激光的切割速度（dù）同光纖激光切割結果相近，而 B 型切（qiē）割結果在此（cǐ）厚度範圍切割速度較低。而在 A 型光學係統無法完成切割的 4 mm~6 mm 階段，B 型光學係統下的半導體激光（guāng）在切割碳鋼板中速度與光纖激光相近，並且得到滿意的切麵。
圖 6 A 型光學係統下（xià）切割 3 mm 內厚度碳（tàn）鋼切麵圖
圖 7 B 型光學係統下切割 3 mm、4 mm、6 mm 厚（hòu）度碳鋼的切麵圖
圖 8 不同類型光（guāng）學係統（tǒng）切割速（sù）度對比
4.結論
本文（wén）通過（guò）對（duì）光纖輸出半（bàn）導體激光器切割（gē）金（jīn）屬薄板的實驗，證明了（le）半導體激光器在（zài）金屬薄板切割中可以得到優（yōu）質的切割表麵和良好的加工效率，同時（shí）得出了以下結論：
1) 在百（bǎi）瓦級激光的薄板切（qiē）割（gē）時，以氮氣做輔助氣體，工件厚度在 3 mm 以內時，激光功率密度是影響切割效果的主（zhǔ）要因素；而當被切割工件厚度（dù）增加時，激光總輸入能量對切割結果的影響逐漸增（zēng）強。
2) 半導（dǎo）體激光和光纖激光在薄板切割加（jiā）工時，若使用氧氣做輔助氣體，由於氧化反（fǎn）應的參與，二者加工能力相近；若使用氮氣做輔助氣（qì）體，光纖激光表現更好。在（zài）切割效（xiào）果上，兩種激光都可以得到條紋細密（mì）、粗糙度較（jiào）低的切麵，並且（qiě）切縫的幾何形狀相似。
3) 針對（duì）半導體激光器光纖輸出激光的光束特點和碳（tàn）鋼加工工藝，采用一定範圍（wéi）增加焦點處（chù）光斑尺寸、焦深（shēn）延長（zhǎng）的光學設計，可以拓展 500 W 半導體（tǐ）激（jī）光器氧（yǎng）助切割碳（tàn）鋼（gāng）的能力，使得半導體激光器可以成（chéng）功實現（xiàn）切割到 6 mm 厚度的碳鋼板，並且達到同光纖激光相近的切割速度。
半導（dǎo）體激光與光纖激光相（xiàng）比，其成本更（gèng）低，並且在薄板切割領域，無論從加工效率還（hái）是加工質量都足以與光纖激光器（qì）分庭抗禮。因此，它在激光（guāng）切割方麵的工藝研究、優化具有非常實際（jì）的應用意義。
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