发布时间 : 星期三 文章正式B5 高精密激光切割技术的应用研究陈文敬 - 图文更新完毕开始阅读54e1d49b168884868662d6de
组合透镜，大多数采用单透镜系统。下面详细介绍平面镜一透镜聚焦系统。
2.3.1反射镜
反射镜的功能是改变来自激光器的光束方向。对固体激光器发出的光束可使用由光学玻璃制造的反射镜，而对CO2气体激光切割装置中的反射镜常用铜或反射率高的金属制造。对于大功率激光器，反射镜在使用过程中，为避免反射镜受光照过热而损坏，通常需用水进行冷却。
2.3.2聚焦透镜
聚焦透镜用于把射入激光切割头的平行激光束进行聚焦，以获得较小的光斑和较高的功率密度。透镜经常采用能透过激光波长的材料制造。固体激光常用光学玻璃，而CO2气体激光因透不过普通玻璃，则采用ZnSe，GaAs和Ge等材料制造，其中最常用的是ZnSe。
透镜的形状有双凸形、平凸形和凹凸形三种。透镜的焦距对聚焦后光斑直径和焦点深度有很大影响。
当入射激光束直径D值一定时，存在一个最佳的透镜焦距f值使聚焦光斑直径d0最小。而当入射激光束腰至透镜的距离远大于透镜焦距时，满足（2.10）式，基模高斯光束的发散角由式（2.5）决定，则透镜聚焦后的光斑直径为：
4?f??f?? （2.12） ?d其中，d为入射在透镜表面上的激光束直径。与透镜焦距密切相关
d0?的另一个量是焦点深度，简称焦深。焦深是描述聚焦光束特性的一个参数。焦深通常有基于光束中心光强变化和基于光斑尺寸变化的定义方法。前者定义方法常根据激光加工的特性，采用平均功率密度定义方法。即是当光束横截面的平均功率密度降为束腰光斑的平均功率密度的一半时，该横截面和焦平面之间的距离的两倍定义为焦深，此时光束的截
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面积是焦斑面积的两倍[19]，在切割中也称有效切割范围。规定在焦深范围内，近似认为功率密度基本相同。后者定义为焦点光斑直径增加5%时两光斑之间的距离。
焦深与聚焦光斑直径的关系可表示为[20]：
Z??0.32?d2? （2.13）
此处焦深Z定义为焦斑直径变化5%两焦斑的间距。
透镜的焦距、聚焦光束的焦深与光斑大小的关系为：焦距短，聚焦光斑小；焦距长，聚焦光斑也大，焦深变化也如此。当透镜焦距增加，使聚焦光斑尺寸增加1倍，焦深可随之增加到4倍。
2.4聚焦功率密度
根据高斯光学理论，经透镜聚焦后在各光束截面上的功率密度为
F?4p4p （2.14） ?22?d??f??式中，F为焦点处光束的功率密度；P为激光输出功率。显然，在
z?0时，由式（2.12）知，这时d?d0?4?f?D光斑直径最小，功率
密度F最大，离开焦平面，光斑直径开始增大，功率密度下降。由此可见，为获得一定的功率密度，聚焦光学系统的选择和聚焦后的焦点的位置精确确定很重要。
激光切割的切口宽度同光束模式和聚焦后光斑直径有很大的关系。由于激光照射的功率密度和能量密度都与激光光斑直径d0有关，为了获得较大的功率密度，在激光切割加工中光斑尺寸要求尽可能小，这样有利于实现高速切割。但透镜焦距减小时，焦点深度也减小，在切割厚度较大的板材时难以获得垂直度好的切割面。另外，透镜焦距较小时，透镜与工件之间的距离也缩小，在切割过程中透镜易被溅沫等熔渣物质弄
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脏，影响切割的正常进行。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于薄件高速切割。长焦透镜的聚焦光斑功率密度较低，但其焦深大，可用来切割厚断面材料。因此，要根据切割厚度和切割质量要求等因素综合考虑，确定适当的焦距。
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第三章 激光切割机对焦技术研究和装置设计
由于聚焦透镜是安装在激光头内部，CO2激光又是不可见光，不方便用肉眼直接观察，激光聚焦的焦点位置无法直接测量，但可以通过间接方法或采用专门的仪器来检测。对于大功率的激光束可采用大功率激光光束光斑质量诊断仪，实现大功率激光光束横截面的功率密度分布测量，并应用数学处理方法计算光束位置、束宽、焦点位置、焦斑大小、发散角、焦深和光束质量因子等相关光束参数。对自动化程度和加工精度要求较高的精密机床还采用自动聚焦控制与镜头伺服控制的对焦方法。对于低功率的激光切割机由于其成本较低往往不配置这样的装置，只是给出一个大致的焦点位置供参考。这样就不能准确的确定焦点位置，影响加工质量的进一步提高。
3.1对焦方法
目前在工业生产中对焦的简便方法有三种:
（1）打印法：使激光头从上往下运动，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(切痕最小)为焦点。
（3）蓝色火花法:去掉喷嘴，斜向吹高压空气，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CLS2000型激光切割机，激光头安装在X轴轨道上，轨道高度固定，要调整焦点位置，需要手动调节，而且激光器输出的是连续激光，孔的大小受打印的时间影响，而打印时间不能准确控制，第1种方法不适合该机床。第2种方法在判断切痕最小处时误差较大，而且不能将焦点位置直接设置在工件表面。第3种方法对于加工非金属材料的机床不适合。
目前该机床采用的对焦方法是根据经验值来确定，将喷嘴移动到离工件表面约5mm时即认为是焦点位置，缺乏理论依据，而且也不准确。
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