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解读激光光束特性对激光加工质量的影响


激光加工过程首先是一个热变化过程,激光器发出的能量聚焦于很小的靶区,并将热量传递给被加工的材料,激光加工过程高度依赖于材料所能吸收的能量。加工过程的效率往往是辐照度的平方或立方的函数。因而可以断定,工件上的焦斑总能量和能量空间分布是加工过程的成功关键,而且对激光束空间能量分布形状的变形是非常敏感的。在激光焊接中,零件之间的间隙必须控制非常精准,这就需要把激光束的能量始终对准相同的靶区而不发生焦斑漂移。如果进行高速焊接,不良光束结构可以引起焊缝不良的问题。在激光切割中,光束的质量和聚焦能力对切口本身的质量非常关键。质量低劣的光束可以造成零件报废或返修而增加成本。

1. 激光加工光束特性参数及其评价指标
高功率激光加工过程中,影响激光热加工的因素很多,对于激光束,其中主要是焦点功率密度、焦斑形状、光强分布和焦斑漂移等,这些参数不仅与激光输出功率有关,而且更依赖于光束模式的分布和稳定性。
1.1激光加工光束特性参数
按照激光光束对激光加工的影响,可以把激光加工光束特性参数分成三类:功率特性(激光功率、功率密度、连续或脉冲)、光束特性(光束模式、光束质量、异形光束)、焦点特性(焦点大小、焦点位置、焦深)。

这些光束特性参数并不是独立的,而是相互影响的。同样功率的激光束,光束质量越好,聚焦焦点就越小,焦点的功率密度就越大。同一束激光,采用短焦距聚焦镜,可得到较小的聚焦焦点和较大的焦点功率密度,但是造成像差大,镜片加工困难,短聚焦也容易造聚焦镜污染。采用长焦距聚焦镜,可得到较大的焦斑和较长的焦深,光斑偏移对激光加工的质量影响相对较小。光束质量作为光束特性中最重要的参数之一,对光束能量分布、聚焦焦点大小、功率密度大小等重要参数有很大影响,是评价激光制造系统的关键参数,它不仅标志了激光制造系统的可加工能力,还对激光材料加工过程产生重要的影响。

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