对半导体激光切割金属薄板工艺的论述

对半导体激光切割金属薄板工艺的论述

唐立恒

关键词：半导体激光；金属薄板；切割工艺

1.半导体激光概述

半导体激光在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laserdiode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广已成为当今光电子科学的核心技术。

2.半导体激光切割金属薄板工艺分析

随着科学技术的不断发展，传统的大功率半导体激光器由于散热的需要和封装技术的制约等原因，光束质量较差，亮度低，无法满足大多数加工的要求。因此，为了有效将半导体激光推广应用于金属切割领域，本文分析了一种大功率半导体激光器的金属薄板切割工艺实验，并将其产生的切缝与光纤激光切割工艺中的切缝进行对比。

2.1试验装置及过程

实验中采用最大功率输出为500W、光纤芯径0.2mm的高亮度半导体激光系统。系统通过半导体激光混波、光学整形、耦合，由光纤输出连续激光，光束98%的能量在NA0.18内。耦合输出的激光由光纤传输到需要加工的工件上方，并经过光学系统聚焦于待加工材料表面。实验中使用的切割头也是非常重要的组成部分，它的设计是使得光学系统满足光束NA的要求，切割实物图如下图1所示。

图1

2.2实验结果

在切割过程中，氧气作为切割辅助气体，在激光能量持续输出时，辅助气体与工件之间会发生氧化反应，释放出大量的能量。但氧化反应同样会导致不锈钢材料的切缝变粗糙。而在此条件下，碳钢的切面上则会形成一层光滑的氧化膜，切面质量良好。故根据实际加工需求，一般采用氧气辅助切割碳钢，氮气作为切割不锈钢辅助气体。

对于氧助切割碳钢，根据相关数据显示，对于3mm厚度以内，离焦量定在+0.3mm~+0.5mm，切割效果较好。而氮气辅助切割不锈钢板，一般设定离焦量为0mm。当工件较厚时，光斑在切缝底部的尺寸会相应变大，从而使功率密度减小，切缝质量变差。故随着厚度的增加，可以适当将焦点向内移动。

2.3切缝对比

由于激光切割的目标就是在工件上形成预设路径的高质量切缝，故切缝的质量是衡量切割效果的重要标准。在切割的过程中，随着工件厚度的增加，切缝成为切割的决定性因素和关键难点。

下面通过半导体激光和光纤激光进行切割加工后，工件上切缝形状的对比来探究两者的加工特点。

图2为3kW光纤激光器对4mm不锈钢板切割的切缝，不同光束的聚焦半径分别是50μm，93μm，159μm。图2（a），2（b），2（c）对应的是不同条件下的切缝切面形态图，2（d），2（e），2（f）对应的是切缝几何形态。从图中可以看到，切缝切面的条纹分为三个部分：靠近上表面部分的条纹细密并且垂直；靠近下表面的条纹区域较大，条纹倾斜且紊乱，单个条纹倾斜；在上述两区之间的是第三部分，条纹质量介于之间。总体上，三种条件下，2（a）、2（b）条纹倾斜，而2（c）条纹近似垂直；2（d）切缝两侧几乎平行，2（e）、2（f）在工件厚度中间位置的切缝宽度相对较窄，靠近上表面宽度最宽。

图2

对比实验中得到的切缝切面如图3。图3（a）、图3（c）对应切割速度为1.2m/min，图3（b）、图3（d）对应切割速度为1.7m/min。切面条纹都呈近似垂直状态，没有明显的区域分界，并且单个条纹连续，整体没有明显变化趋势。条纹接近上表面部分比较细密，往下逐渐变粗，它的整体条纹特点同图2（c）相似。

图3

综上，半导体激光切割得到切缝的几何特征与光纤激光切割结果相似。同时实验也验证了4mm以下薄板切割的切面条纹近似垂直且切缝宽度无明显变化，这一结论在半导体激光切割中同样适用。

结束语

综上，本文对大功率半导体激光器切割金属薄板的实验进行了分析，可以得出其与光纤激光比，成本更低，并且在薄板切割领域，可以得到优质的切割表面，无论从加工效率还是加工质量有着较好的应用效果，因此具有非常实际的推广意义。

参考文献

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