Dans le traitement des métaux, les machines de découpe laser utilisent des faisceaux laser à haute densité d'énergie pour réaliser la fusion, la vaporisation et la séparation des matériaux. La position focale est l'un des paramètres clés du processus de découpe laser. Elle affecte directement la distribution de l'énergie, la morphologie du bain de fusion, la qualité de la coupe et la stabilité de la découpe. Un contrôle approprié de la position focale est une condition préalable essentielle pour obtenir des résultats de découpe de haute qualité.
I. Définition de base de la position focale de la découpe laser
La position focale en découpe laser fait référence au point où le faisceau laser est focalisé par la tête de coupe pour obtenir le plus petit diamètre de spot et la plus haute densité d'énergie. En prenant la surface de la pièce comme point zéro de référence, la position focale peut être divisée en trois états :
Foyer positif (foyer situé au-dessus de la surface de la pièce)
Foyer zéro (foyer situé sur la surface de la pièce)
Foyer négatif (foyer situé à l'intérieur du matériau de la pièce)
Différentes positions focales modifient la façon dont l'énergie laser se couple au matériau, affectant ainsi le processus de découpe et la qualité de la coupe.
II. Influence de la position focale sur la distribution de l'énergie laser
Le faisceau laser atteint sa densité d'énergie maximale au point focal. Lorsque le faisceau s'éloigne du foyer, le diamètre du spot augmente et l'énergie par unité de surface diminue. Les changements de position focale entraînent les effets suivants :
Variation de la concentration d'énergie
Plus le foyer est proche de la surface du matériau, plus l'énergie laser est concentrée, ce qui entraîne une efficacité de fusion initiale plus élevée.
Variation de la distribution de l'énergie le long de l'épaisseur du matériau
Dans des conditions de foyer négatif, l'énergie laser forme une zone d'interaction effective plus longue à l'intérieur du matériau, ce qui est bénéfique pour la découpe de plaques épaisses.
Changements de la morphologie du bain de fusion
Différentes positions focales affectent la profondeur, la largeur et la stabilité du bain de fusion, influençant ainsi la géométrie de la coupe et la qualité de la surface coupée.
III. Effets des différentes positions focales sur la qualité de la coupe
1. Effet du foyer positif sur la qualité de la coupe
Lorsque le foyer est positionné au-dessus de la surface de la pièce, le spot laser sur la surface du matériau est relativement plus grand :
Distribution d'énergie plus uniforme à la surface d'entrée de la coupe
Coupe plus large à la surface supérieure
Expulsion vers le bas du métal fondu relativement plus faible
Cette condition convient aux matériaux minces et aux applications avec des exigences plus élevées en matière de qualité d'aspect de surface.
2. Effet du foyer zéro sur la qualité de la coupe
Lorsque le foyer est situé sur la surface de la pièce :
La densité d'énergie laser atteint son maximum
La vitesse de coupe est relativement élevée
La largeur de la coupe est plus petite
La perpendicularité de la coupe est améliorée
Le foyer zéro est couramment utilisé pour la découpe à grande vitesse de plaques minces et d'épaisseur moyenne, offrant un bon équilibre de la qualité globale de la coupe.
3. Effet du foyer négatif sur la qualité de la coupe
Lorsque le foyer est positionné à l'intérieur de la pièce :
L'énergie laser s'étend plus profondément dans le matériau
La profondeur du bain de fusion augmente
Le gaz d'assistance peut expulser plus efficacement le matériau fondu du fond de la coupe
Le foyer négatif est largement appliqué dans la découpe de plaques épaisses et aide à réduire la formation de scories tout en améliorant la capacité de pleine pénétration.
IV. Influence de la position focale sur la forme de la coupe et la coupe transversale
Un positionnement focal incorrect peut entraîner les problèmes suivants :
Cône de coupe avec le haut plus large et le bas plus étroit, ou vice versa
Motifs de striation inégaux sur la surface coupée
Augmentation des scories au bord inférieur
Coupe incomplète ou interruption de la coupe
Un réglage focal approprié permet d'améliorer la perpendicularité de la coupe, la douceur de la coupe transversale et la cohérence globale de la coupe.
V. Effet synergique de la position focale et du gaz d'assistance
Pendant la découpe laser, les gaz d'assistance tels que l'oxygène, l'azote et l'air interagissent étroitement avec la position focale :
Lorsque le foyer est positionné plus haut, le gaz agit principalement sur la zone fondue de surface
Lorsque le foyer est positionné plus bas, le gaz aide plus efficacement à l'éjection du bain de fusion
La position focale et la hauteur de la buse influencent conjointement la stabilité du débit de gaz
Le réglage focal doit être coordonné avec la pression du gaz et le diamètre de la buse.
VI. Effets courants des réglages de position focale incorrects
Un positionnement focal incorrect peut entraîner :
Réduction de la vitesse de coupe
Une efficacité d'utilisation de la puissance laser plus faible
Une qualité de coupe instable
Augmentation de la charge thermique sur les composants optiques
Par conséquent, dans les applications pratiques, la position focale doit être optimisée dynamiquement en fonction de l'épaisseur du matériau, de la puissance du laser et des paramètres du processus de coupe.
VII. Principes généraux pour le réglage de la position focale dans les applications pratiques
Les directives suivantes sont couramment appliquées :
Foyer zéro ou léger foyer positif pour la découpe de tôles minces
Foyer négatif pour la découpe de plaques épaisses
Augmentation du foyer négatif pour la découpe laser haute puissance
Réglage fin du foyer pour les matériaux à haute réflectivité afin d'améliorer l'efficacité du couplage énergétique
La position focale de la découpe laser est l'un des paramètres de processus les plus importants affectant la qualité de la coupe. En contrôlant correctement la position focale, la distribution de l'énergie laser peut être optimisée, l'efficacité de la fusion peut être améliorée et la géométrie de la coupe et la stabilité de la coupe peuvent être améliorées. En production réelle, un réglage focal précis doit être effectué en fonction des propriétés du matériau, des paramètres de l'équipement et des exigences du processus afin d'obtenir des performances de coupe stables et fiables.