В металлообработке в лазерных станках для резки используются лазерные лучи высокой плотности энергии для достижения плавления, испарения и разделения материала. Положение фокуса является одним из ключевых технологических параметров при лазерной резке. Оно напрямую влияет на распределение энергии, морфологию расплава, качество реза и стабильность резки. Правильный контроль положения фокуса является критической предпосылкой для получения высококачественных результатов резки.
I. Основное определение положения фокуса лазерной резки
Положение фокуса при лазерной резке относится к точке, где лазерный луч фокусируется режущей головкой для достижения наименьшего диаметра пятна и наивысшей плотности энергии. Принимая поверхность заготовки за эталонную нулевую точку, положение фокуса можно разделить на три состояния:
Положительный фокус (фокус расположен над поверхностью заготовки)
Нулевой фокус (фокус расположен на поверхности заготовки)
Отрицательный фокус (фокус расположен внутри материала заготовки)
Различные положения фокуса изменяют способ взаимодействия лазерной энергии с материалом, тем самым влияя на процесс резки и качество резки.
II. Влияние положения фокуса на распределение лазерной энергии
Лазерный луч достигает максимальной плотности энергии в фокусе. По мере удаления луча от фокуса диаметр пятна увеличивается, а энергия на единицу площади уменьшается. Изменения положения фокуса приводят к следующим эффектам:
Изменение концентрации энергии
Чем ближе фокус к поверхности материала, тем более концентрирована лазерная энергия, что приводит к более высокой начальной эффективности плавления.
Изменение распределения энергии по толщине материала
В условиях отрицательного фокуса лазерная энергия образует более длинную зону эффективного взаимодействия внутри материала, что полезно для резки толстых листов.
Изменения морфологии расплава
Различные положения фокуса влияют на глубину, ширину и стабильность расплава, тем самым влияя на геометрию реза и качество поверхности реза.
III. Влияние различных положений фокуса на качество резки
1. Влияние положительного фокуса на качество резки
Когда фокус расположен над поверхностью заготовки, лазерное пятно на поверхности материала относительно больше:
Более равномерное распределение энергии на входной поверхности реза
Более широкий рез на верхней поверхности
Относительно более слабое выталкивание расплавленного металла вниз
Это условие подходит для тонких материалов и применений с более высокими требованиями к качеству поверхности.
2. Влияние нулевого фокуса на качество резки
Когда фокус расположен на поверхности заготовки:
Плотность лазерной энергии достигает максимума
Скорость резки относительно высока
Ширина реза меньше
Улучшается перпендикулярность реза
Нулевой фокус обычно используется для высокоскоростной резки тонких и среднетолстых листов, обеспечивая хороший баланс общего качества резки.
3. Влияние отрицательного фокуса на качество резки
Когда фокус расположен внутри заготовки:
Лазерная энергия проникает глубже в материал
Глубина расплава увеличивается
Вспомогательный газ может более эффективно выталкивать расплавленный материал со дна реза
Отрицательный фокус широко применяется при резке толстых листов и помогает уменьшить образование шлака, одновременно улучшая способность к полному проплавлению.
IV. Влияние положения фокуса на форму реза и поперечное сечение реза
Неправильное позиционирование фокуса может привести к следующим проблемам:
Конусность реза с более широким верхом и более узким низом или наоборот
Неравномерные полосы на поверхности реза
Увеличение шлака на нижнем крае
Неполная резка или прерывание реза
Правильная регулировка фокуса помогает улучшить перпендикулярность реза, гладкость поперечного сечения и общую стабильность резки.
V. Синергетический эффект положения фокуса и вспомогательного газа
Во время лазерной резки вспомогательные газы, такие как кислород, азот и воздух, тесно взаимодействуют с положением фокуса:
Когда фокус расположен выше, газ в основном воздействует на зону расплава на поверхности
Когда фокус расположен ниже, газ более эффективно помогает выталкиванию расплава
Положение фокуса и высота сопла совместно влияют на стабильность потока газа
Регулировка фокуса должна координироваться с давлением газа и диаметром сопла.
VI. Общие эффекты неправильных настроек положения фокуса
Неправильное позиционирование фокуса может привести к:
Снижению скорости резки
Снижению эффективности использования мощности лазера
Нестабильному качеству резки
Увеличению тепловой нагрузки на оптические компоненты
Поэтому в практических приложениях положение фокуса следует динамически оптимизировать в зависимости от толщины материала, мощности лазера и параметров процесса резки.
VII. Общие принципы регулировки положения фокуса в практических приложениях
Обычно применяются следующие рекомендации:
Нулевой фокус или небольшой положительный фокус для резки тонких листов
Отрицательный фокус для резки толстых листов
Увеличенный отрицательный фокус для лазерной резки высокой мощности
Тонкая регулировка фокуса для материалов с высокой отражающей способностью для повышения эффективности взаимодействия энергии
Положение фокуса лазерной резки является одним из наиболее важных технологических параметров, влияющих на качество резки. Правильно контролируя положение фокуса, можно оптимизировать распределение лазерной энергии, повысить эффективность плавления, а также улучшить геометрию реза и стабильность резки. В реальном производстве следует проводить точную регулировку фокуса в соответствии со свойствами материала, параметрами оборудования и требованиями процесса для достижения стабильной и надежной производительности резки.