光束偏振对激光切割效率的影响

’()*!%+,-(*$ ./0*$%%&
形 状 原 则 上 具 有 与 方 程" ,% 非 经 典解相应的一阶导数的不连续性 ) 这些中断 ! 对 4 和 7 偏振束情况 ! 能出现在通道对称平面 9%"$:中 ! 对 其他偏振束’ 5(6(8# 情况 ! 则出现 在壁上 * 本 文 不 详 细 讨 论 5; 和 7; 偏 振辐射的作用 ! 这类偏振光束在切 割前表面的吸收系数较低 ! 相应的 切割参量也较低 * 因此 ! 这些情况 实际上是不重要的 *
& 见表 !$ 的费涅尔吸收公式 % 在 波 圆偏振情况下 ! 吸收系数仅与 8 角 有关
0*(8.*&0((8.+0)(8.’4,66666666($. (,. 式中的系数 . 与材料的热学性
质有关 ! 并为常数值 % 用气流将熔 化材料排除 !则有
,&-!2 "’),+3,’ #(!$%$&$’)* #" , /01 2 ! ) "-!+(,-&) !+( -&.
*!’+
第 !" 卷 ! 第 # 期
$%"& 年 $ 月
激光与光电子学进展
质排除 速 度 !/ 是 吸 收 的 光 功 率 密 度 ! 并定义
’()*!%+,-(*$ ./0*$%%&
料中" 温度分布局限在薄的表面 层 ! 因此 ! 本模型忽略热传导过程 " 本模型考虑几何光学近 似 ! 只 考虑单次反射 " 与激光打孔的通道 相比 ! 切割呈开放形状 " 从激光束 作用区反射的辐射 ! 在该区外壁上 散射 " 因此 ! 在热传导金属中 ! 反射 的辐射对材料破坏和耗散无贡献 " 激光切割比 # 深度与宽度之 比 $ 实际上大约为 !"% 这意味着辐 射与材料相互作用主要发生在接 近 主 角 度& 对 钢 约 为 #$! $ 的 大 角 度上% 本模型使用经典费涅尔公 式 ! 金属具有复数折射率 % 本吸收 定律的主要特点是平行偏振波吸 收对大入射角非常灵敏 ! 这种吸收 特性当表面温度升高时仍然保持 着 % 因此在温度高达 %"""! 时 ! 吸 收与温度的关系没有质的变化 ! 只 是某些量上的变化&!%’% 在图 ! 所示的坐标系中给出 了样品和激光束的位置 % 沿 ! 方向 以速度 " 运动的光束强度为
*-./+
简单描述 ! 没作具体定量的计算 # 在 文 献 *!!+ 中 ! 对 二 维 激 光 切 割 进 行了分析 ! 并考虑到了强度按高斯 定律分布及在切割前表面上的费 涅尔吸收 #
! 数学模型
本研究解决三维切割形状描 述问题 # 考虑了整个切割表面的辐 射吸收 B即前表面吸收和壁面吸收 # 这使得能从相同视点比较不同激 光 束 偏 振’ 平 面 偏 振 ( 圆 偏 振 等 % 与材料作用的效率 # 激光切割时通 过高压气体喷射指向刀口 ! 气体喷 射的主要作用是排除熔化的材料 ! 在目前所用的高强度气体喷射条 件下 ! 流体动力学过程非常快 ! 所 以认为材料被立刻排除 # 因此不需 要详细描述流体动力学过程 # 本文不讨论在切割表面上的 化学反应 ! 即讨论无氧激光切割 # 无氧激光切割效率和切割质量问 题也是真实的 *!-+! 目前的研究 ! 讨论 不同偏振方式辐射的吸收问题 ! 对 有氧切割也很重要 # 在实际切割条件下 ! 热主 要集 中在从刀口随气流排除的熔化材
!
"
-!)
.*&1= (23*24.+E ’2 !6666666666(F. 其中 1 ’ = 和 E分别为材料的比热 ’
密度和熔解热 (2" 和 2! 分别为材料 的初始温度和熔化温度 % 由于材料破坏阈值特性 ! 公式 & ,$ 仅适用于吸收功率 / 超过阈 值的情况 % 这个条件在光束作用面 积& 其中包含主要辐射功率 $ 能满 足 ! 特别是本模型仅限于低光束移 动速度 " % 如果聚焦在样品表面 !并 且 " 是低速的 ! 则辐射强度 可能在 深通道中减小 ! 因为吸收的功率密 度低于破坏阈值 % 对于激光切割参 量的宽光谱范围 ! 公式& ,$ 给 出的 近似完全适用 % 表面动力学适应性方程为
$& *" $& 2 .#-!+%+&.0-85692 9 .66-#. " $’ $!
按文献&!!’的解析 ! 从方程
/*#-!+%+&+’)0-85692 9"):;<-8)666-%)
其中 0-85692 9")是吸收系数 !8 是在 表面上激光束的入射角
" $&+ *.#-!+%+&+.0-8592 9".666666-I. $! 计算出通解 &-!+%+’.*&<-!+%.+G-!+%+’.的
8*8=:>?#&,!+&,% 9 是激光束入射与它的运动方向之
间的夹角
9*8=:>?(&% &&!.
在平面偏振光束情况下 ! 电场矢量 和 光 束 速 度 矢 量 பைடு நூலகம் 间 的 角 度 9" 为 常数 % 对平面偏振光束 !有
0’(85692 9".*0((8.<@A,(92 9".+ 0)(8.:;<,(92 9".66666(B. 其 中 0( (8.和 0)(8.分 别 为 C 波 和 D
!
# 具体分析了热源运动
时的热扩散 ( 流体动力学过程 ( 氧 气的作用! 切割壁上条纹的形成 等 ) 有些作者用费涅尔定律研究辐 射的吸收 ! 对平面平行偏振激光束 在 切 割 前 面 表 的 吸 收 !给 出 了 焦
*0+
点位置和模结构的影响 ! 但尚未分 析不同偏振态对激光切割的影响 * 俄罗斯学者 12"32"45676,89:; 等 ! 用 三维金属切割模型计算了最大切 割深度 *<+* 计算中将光束截面能量 密度取作常量 ! 但没考虑切割壁上 的吸收影响 * 在 =2>36?7@9A 等人提 出的激光切割三维模型中考虑到 了强度 + 偏振态 ( 焦点位置 ( 模结构 及光束发散度等参量对切割过程 的 影 响 !但 仅 限 于 对 切 割 形 状 的
!,+%,*;,6666!J"
沿半圆周下面式子成立
,-*./
$!%
其中 ,- 是在垂 直于表面方 向的物
&!!*.#-!$%$".0-&!!5&%!. ! !!!!!!!!!!!&! G!+&%!G%*"
通过光束作用区的特征曲线形成 切割表面 % 在目前的数学模型框架 内 ! 切 割形状由样品表面到材料排除的 最后深度决定 % 当样品厚度小于最 后深度时! 超过样品厚度的部分 解 ! 可以不考虑 % 计算中所用的激 光束偏振类型见表 !%
!""引言
激光切割金属是激光加工最 普及的方法 # 在激光切割的实践中 提出了许多基础问题 ! 其中最重要 的是激光切割效率 # 激光切割效率 定义为切除材料损耗的能量与输 入能量之比 # 目前 ! 激光切割金属 分为两个领域 " 一是切割薄板 ! 板 厚$ !% 与切割宽度$ "% 之比较 小 & 另一是切割厚板 !!!"!!## 切割金 属薄板需要的激光功率较低 ! 通常 用 $%&’’ 模的激光束 # 要快速切割 薄板必须将光束聚焦 # 通常使用平 面偏振辐射 ! 最大吸收在切割材料 的前表面 # 这种情况下 ! 使用平面 偏振激光是有利的 # 用激光切割厚金属板时 ! 情况 就不同了 # 一方面采用的是长焦距 透 镜 ! 因 此 ! 主 模’ $%&’’ 模 % 的 优 点基本上显现不出 # 另一方面 ! 在 高功率激光器中获得主模振荡比 较困难! 通常使用低阶横模结构 ’ $%&’’(’!) !$%&’!) % 的光束 # 在早期的研究中 ! 用平面 偏振 辐射做激光切割的基本特性已做 了理论和实验研究 *!+# 用平面偏振 辐射做激光切割 ! 在切割的前表面
收稿日期 "$%%$1%21$!
吸收大量能量 ! 即切割方向平行于 电场矢量的振荡平面 ! 获得最高切 割效率 # 但是很多公司生产的工业 激光器 ! 输出光束是圆偏振的 # 迄 今为止 ! 大多数金属切割系统使用 的是圆偏振激光 ! 尽管使用平面 , 偏振光对切割在工件前表面的能 量吸收能达到最大 # 近年来 ! 许多作者从辐射 吸收 和切割成形概念出发 ! 研究了激光 切割理论
图 +?? 激光打孔 * 打孔深度和形状与角向偏振- 左 % 和径向偏振- 右 % 的关系- 7 和 8 ! 见 表 #% * 曲线 1)@)A 对应于时间范围 !#B!+B!(
消失了 * 由于现在 5 波占了优势 ! 在切割表面吸收减小 * 与预期值相 比 ! 最终切割参量变低 * 这种现象 可解释为在极度破坏的通道壁之 间 !材料中激光束的 + 粘性 , * 在图
4偏振光束跨越整个宽光谱范 围的系数 & 时 ! 其通道间断效应表
现最明显 * 相当于具体通道形状在 底部的壁间有个锐夹角 ! 如图 (01:* 对这个表面 ! 中断引起吸收规律改 变 * 如果通道是光滑的 ! 在 %"$ 截 面上 ! 材料的排除速率由 4 波吸收 决定 * 在 < 型情况-图 (01:/! 围绕光 束轴的最大强度区中 4 波吸收区
稳态部分 &<-!+%.% & I$ 式定义的稳 态解 &<-!+%.在 稳定切割条件下准确描述表面状 态 % 在实际的激光加工条件中 ! 在 切割表面发生低振幅对流不稳定 性&!B’!它沿表面 &< 移动 % 不稳定幅度 增长受光束作用区中不稳定性存 在的时间限制 % 如果不稳定性显著改变吸收 特性! 经典的费涅尔公式不再适 用 ! 那么仅考虑前表面的不稳定性 就可能有不同的计算结果 % 目前 ! 对这些不稳定性的物理性质还没 有统一认识 % 对吸收系数的影响没 有可靠的数据 % 同时 !辐射偏振按 C 波或 D 波吸收就影响切割参数 % 这 种普遍的事实间接地证实 ! 吸收过 程的不稳定性并不起主要作用 % 模型的主要 参数有 ) 系 数 67
! 结果和讨论
所 有 的 计 算 都 取 ! "#$%&!’!
形状 % $ 中断形状出现在一定深度 的临界点上 $ 在此点上 ! 壁之间的 夹角随时间减小 $ 入射角减小 ! 因 而吸收系数减小 ! 用于材料排除的 " 1"$% 可能 输入能量也减小 $ 中心 的潜在深度 ! 在这种情况中没有实 现 $ 实际深度低于具有平坦底的光 滑形状情况 $ 因此 ! 可称为自组织 效应 ) 切割形状发展成具有最小辐 射吸收的形状 $ 在径向偏振光束情况中 ! 最大 吸收功率密度不是在底部 ! 而是在 壁上 $ 所以 ! 通道形状中断是在壁 上 !而 不 是 在 底 部 !通 道 形 状 最 终 发展成垂直的壁和平坦的底 $ 考虑 到激光束打孔成形特点直接关系 到激光切割 ! 因而在一定情况下限 制了这种加工效率 $ 在偏振束 " 表 # 中的 4(5(6(
G54G’*"6666666666666666666-H. 其中 5*&*&-!+%+’.% 公式 & ,$ 和& H$
组成方程组 ! 在激光束坐标系中变 换成含 !+%+’ 的非线性偏微分方程
图 !66 样品和激光束在坐标系统中的位置
!
第 !" 卷 ! 第 # 期
$%"& 年 $ 月
激光与光电子学进展
第 !" 卷 ! 第 # 期
$%"& 年 $ 月
激光与光电子学进展
’()*!%+,-(*$ ./0*$%%&
理 论 与 研 究
光束偏振对激光切割效率的影响
提 要 给出了三维激光切割理论 # 估计了用不同偏振方式所确定的切割效率 ! 给出了平面平行偏振限制 的物理因素 # 当板材厚度与切割宽度比较大时 ! 用径向偏振光束与用平面平行偏振以及圆偏振 光 束相 比 较 ! 激光切割效率分别提高 3*4 至 $ 倍 # 讨论了产生径向偏振光束的方法 # 关键词 光束偏振 ! 激光切割 ! 切割效率
.#"8" ! 束参量 )" 和 &"! 金属复折射率 --!+9:.和聚焦位置 &7%
用特征曲线方法求解了方程 & I$ % 从光束轴中心 ’ 样品 表面上 半 径 ; %)" 的 半 圆 周 上 的 一 点 出 发 ! 计算了每条特征曲线 !其中
其 中 ( -&)*-&*&#)4&"56 &"*!) , " 4"56 )" 是 激 光 束 光 斑 半 径 ! &7 是 激 光 束 焦 点 距 样品表面的距离 % 在 以 后 的 全 部 表 达 式 中 !& 是 独立自变量 !+% 和 ’ 的函数 % 在 切 割表面局部能量平衡 !即有