高精密激光切割技术的应用研究毕业论文(编辑修改稿)

高精密激光切割技术的应用研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的对焦的准确性不高，对于精细的雕刻不能满足要求。 本课题是基于工程训练中心的镭神 CLS2020 型激光切割机为基本的实验设备，研究了该设备的激光光路系统和聚焦系统的特点。 针对该设备目前采用的对焦方法不能准确的确定焦点位置的缺点，设计了一 套焦点位置观察装置。 将该装置与机床光路组成一个对焦系统，以达到在加工不同工件时能够准确找到焦点平面，提高加工质量的目的。 本课题在实践中有着重大的理论意义和应用价值。 9 第二章 激光切割机的聚焦系统研究 2. 1 激光切割机系统构成 激光切割机除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要还应具有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。 激光器 由激光介质、光泵、聚光器和谐振腔组成。 现代用于激光加工的激光器 主要有 Nd： YAG 激光器、 CO2激光器、准分子激光器、大功 率半导体激光器等。 其中大功率 CO2激光器和大功率 Nd： YAG 激光器在大型工件激光加工技术中应用较广：中小功率 CO2激光器和 Nd： YAG 激光器在精密加工中应用较多；准分子激光器多用于微细加工；而由于短脉冲激光与材料的热扩散相比，能更快地在照射部位注入能量，所以主要应用于超精细激光加工。 聚焦系统的作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工件上，以提高其功率密度，满足激光加工的要求。 CO2激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化嫁等红外材料制造的光学透镜才能通过，为减少表面反射需镀增透膜。 图 为应用于 CO2激光 切割机的透射式聚焦系统。 图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体 N2 的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。 激光器 ； ； ； ； ； ； 图 透射式聚焦系统 10 电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或 CO2激光器的高压直流电源）和输出方式（如连续或脉冲、重复频率等）进行控制。 此外，工件或激光束的移动大多采用 CNC 控制。 激光加工技术有效地利用了激光的优异性能，正在改变着以往的加工和生产方式，使生产效率大 幅度提高，是机加工中最有竞争力的一种替代手段，在激光 应用中占有重要的地位。 激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，它占整个激光加工业的 70%以上 [1314]。 目前已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。 激光光束聚焦理论 采用稳定腔的激光器发出的激光，是一种振幅和等相位面都在变化的高斯球面光波，简称高斯光束。 之所以称为高斯光束，是由于光束截面上光强与离轴距离 r 成高斯函数变化的原因。 在由激光器产生的各种模式的激光中，最基本 、应用最多的是基模（ TEM00）高斯光束，它具有以下基本性质 [15]。 （ 1） 基模高斯光束在横截面内的光场振幅分布按高斯函数的规律从中心向外平滑地下降，由中心振幅值下降到 1/e 点对应的宽度，定义为光斑半径，即 ：   2200z1 wwzw  （ ） 可见，高斯光束在传播过程中，光斑半径随着传播距离 z 成非线性变化，其轨迹为双曲线。 在 0z 处 ，   0wzw  ，达到极小值，称为高斯光束的束腰半径。 同时，波面的曲率中心（等相位面在近轴区域可视作球面）也随光束传播的距离而不断地改变位置。 波面曲率半径随传播距离 z 的变化由以下方程决 定 ： 11  2201 zwzzR （ ） 可见，当 0z 时 ，   zR ，表明束腰所在处的等相位面为 平面；当   20wz  时， zR 逐渐减小至最小值为   202 w ，激光束由平面波变为球面波，此时半径最小。 继续传播则 zR 又开始增大，至 z ，激光束由球面波又变为平面波。 由公式 还可看出， 0z 时， zR 0，波面凸向 z 轴正向， z 0 时 zR 0，波面凸向 z 轴的负向。 根据式（ ）和（ ），如果己知激光束的束腰位置和束腰半径，就可以计算任意位置的光斑半径和波面曲率半径 R。 在实际应用中，还可以根据已知的光斑半径和波面曲率半径来决定束腰的位置和大小，这只要将式（ ）和（ ）联立方程组，求解0w和 z 即可得到如下式的计算： 222201 Rwww （ ） 221 wRRz （ ） （ 2） 由于激光束的传播路径呈双曲线形，其中在束腰处光束的截面为最小，离束腰越远，则光束口径越大。 因此无论是自束腰向左还是向右激光束均是发散光束。 表明激光束是存 在发散角的。 光束发散角用于表征激光束的空间传播特性，是激光束方向性的量度，发散角越小，方向性越好。 在激光切割、打孔及微细加工等应用场合要求激光束具有尽可能小的发散角和高度聚焦性能，以便将激光能量集中在很小的区域，12 提高功率密度。 通常基模高斯光束的发散角定义为强度下降到中心强度的 1 /e2点对应的全角宽度，即  022lim wz zwz   （ ） 由此可见，基模高斯光束在其传播轴线附近可以视为一种非均匀球面波，其等相面是曲 率中心不断变化的球面，振幅和强度在横截面内保持高斯分布。 高斯光束及其参数如图 所示。 图 高斯光束及其参数 对于高斯光束，用几何光学的理论可以证明，其经透镜变换后仍为高斯光束 [16]。 图 为透镜对高斯光束的变换示意图。 图中 P 和 P ，分别为高斯光束入射在透镜前和经透镜变换后的波面，其曲率半径分别为R 和 R ，光斑半径分别为 w 和 w ，束腰半径分别为 0w 和 0w ，束腰至透镜的距离分别为 z 和 z。 13 图 透镜对激光束的聚焦 [17] 对于透镜，前、后主面的通光口径是相等的，这样一来在两个主面上的激光束截面半径是相等的，即 ww 。 若透镜焦距为 f ，当旁轴球面波通过透镜时，波前曲率半径满足 fRR  111 （ ） 由以上各式联立可得高斯光束变换后的束腰位置和束腰半径为    22022wfzffzfz （ ）  2202220201111 wffzww （ ） 在上式中，如果 z ， 且满足     202 wfz 时，式（ ）14 可近似为 fz zffz ffz    由此可得 fzz  111 （ ） 这和近轴光学中的物像关系公式（高斯公式）完全一致。 在激光加工的光学系统中，常使用透镜来对光束进行聚焦。 例如，应用 激光切割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光点。 由式（ ）可以看出，当入射激光束束腰位于系统物方焦距之前，即 fz  时，出射激光束的束腰半径 0w ′随 z 的增大而单调地减小，直至 z 时有 0w ，并由（ ）式可得 fz 。 一般情况下，只要满足 fz  ，由式（ ）就可得到  zwfw  0 （ ） 像方束腰的位置为 fz  （ ） 式（ ）中像方的束腰半径与波长成正比，与激光束照在透镜前主面的光束截面半径 zw 成反比，这个量相当 于普通物镜的通光口径，与透镜焦距成正比。 因此，要使像方的束腰半径为最小，就要加大透镜被照明的口径，减小焦距长度，选择较短的光波长。 以 CO2激光器为例，来说明像方束腰半径的计算。 要求像方的束腰半径为 激光光束在聚焦透镜上的截面半径为 ，根据式（ ）可得所求的透镜焦距 15 mmwwf  光学聚焦理论分析 从激光器输出的光束，尽管具有高方向性、高功率密度，但是在许多加工应用中尚不能达到所需的功率密度。 因此，必须通过光学聚焦系统将激光束聚焦在很小的区域内， 才能获得较高的功率密度，满足激光加工的要求。 聚焦是激光加工中最常见的一种光学处理，聚焦系统可能只有一个镜片，也可能由多个镜片组成。 如图 所示为几种聚焦系统 [18]。 图 几种聚焦系统简图 图 （ a）所示为抛物镜聚焦系统，它仅含有一块抛物面聚焦反射镜，聚焦效果较好，经常用于大功率激光焊接。 图 （ b）为平面镜一透镜聚焦系统，激光经过一块平面反射镜反射后由透镜聚焦，其聚焦效果优于抛物镜聚焦，是高精密度激光焊接和激光切割常用的光路。 图（ c）、（ d）、（ e）是三种球面反射镜聚焦系统的三种 主要形式。 该聚焦系统适合焊接环形焊缝。 在激光切割加工系统中，当功率在 2KW 以下时，多采用平面镜一透镜聚焦系统，而且出于加工方便考虑，基本采用球面透镜。 特别是对于 CO2激光，可用的透射材料有限，难以加工用于消像差的不同材料的16 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。 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。 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 0d 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（ ）式，基模高斯光束的发散角由式（ ）决定，则透镜聚焦后的光斑直径为 ：  fdfd  40 （ ） 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17 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]：  dZ  （ ） 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。 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  22 44  f pdpF  （ ） 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0z 时，由式（ ）知，这时 Dfdd 40  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 0d 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。