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光纖激光切割的工藝參數及原理規律

發布時間:2021-02-28 16:04:11

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激光切割原理

  光纖激光切割機利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現將工件割開,激光切割屬于熱切割方法之一,其工作原理圖如下圖示[1]。

[1]陳家璧,彭潤玲,等.激光原理及應用[J]. 電子工業出版社,2008:174.

光纖激光切割的工藝參數及規律

激光切割的分類
  

1)汽化切割
  利用
高能密度的激光束加熱工件。在短的時間內汽化,形成蒸氣。在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大,所以激光汽化切割時需要大的功率和功率密度。
  激光汽化切割多用于極薄金屬材料和
非金屬材料(如紙、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。
  

2)熔化切割
  激光熔化切割時,用
激光加熱使金屬材料熔化,噴嘴噴吹非氧化性氣體(氬氣、氦氣、氮氣等),依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出,形成切口。所需能量約為汽化切割的1/10。
  激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及相關合金等。
  

3)氧氣切割
  它是用激光作為預熱熱源,用
氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,而切割速度一般大于激光汽化切割和熔化切割。
  激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

 

激光切割的相關工藝參數

光纖激光切割的工藝參數及規律


 

激光功率及光束聚焦特性

激光輸出功率

  激光輸出功率直接影響激光切割機的性能。通常,隨板厚的增加,所需的激光功率也越大。在同種同厚度板材切割中,激光輸出功率越大,切割速度越快,切割端面也越光滑;但在輸出功率確定后,切割速度須和材料材質及其厚度吻合好,此時才能達到最好的切割效果,速度過快和過慢都會影響激光切割的效果。 

            

激光輸出模式

  單模是指在一條光纖上運行一種波長的模態,多模是指在一條光纖線上運行一種以上波長的模態。通常,單模激光光束質量好,形成的光斑小,適合進行微加工及薄板切割,且加工精度高;多模激光則適合金屬焊接、工業零部件熱處理及不銹鋼、鋁、鋼材等厚板材料的高質量切割。 

 

激光輸出及光束聚焦特性

焦點大小及焦深長度

  在激光切割中,焦點位置對材料的切割效果影響很大,不同的材質或厚度,激光切割時對應不同的焦點位置。

  激光切割中,焦點大小焦深是影響切割效果和效率的重要因素之一。光束經短焦距聚焦鏡后光斑直徑相對較小、焦深短,焦點處功率密度很高,則有利于高速切割薄型材料,且切割精度高。經長焦距透鏡后,焦點有較長的焦深,但焦點直徑相對較大,只要具有足夠功率密度,則比較適合切割厚工件。

 

焦點位置

通常焦點位置

與切割面的關系

光纖激光切割的工藝參數及規律

 

小結

  切割薄板時,焦點一般在工件表面處;切割厚板時,不銹鋼焦點通常深入板內約為板厚的1/3—1/4處,處于負離焦距范圍;碳鋼時,焦點在其板面上方,且隨板厚度的增加焦點越遠離板面,處于正離焦范圍。

 

輔助氣體及配置

激光切割機的中,與激光輸出同軸的輔助氣體不但可吹走割縫內的熔渣,還能冷卻加工物體表面,減少熱影響區,冷卻聚焦透鏡,防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過熱。

氣體種類與壓力的選擇對切割工藝也有重要的影響。選擇輔助氣體的種類及相應氣壓大小的匹配將對切割的性能,包括切割的精度、速度及切割厚度等都會產生一定的影響。

氣體種類        

  一般情況下,激光切割過程都需要使用輔助氣體,氣體的選擇須根據不同的材質來確定。激光切割中通常使用的輔助氣體有氧氣、氮氣、空氣等,其效果及功能如下:

1、氧氣 
  主要用于激光切割機切割碳鋼。利用氧氣反應熱大幅面提高切割效率的同時,產生的氧化膜會提高反射材料的光束光譜吸收因數。切口端面發黑或者暗黃色。 
  主要適用壓延鋼材,溶接構造用壓延鋼材,機械構造用碳鋼,高張力版,工具板,不銹鋼,電鍍鋼板,銅,銅合金等。

2、氮氣 
  一些金屬在切割的時候采用氧氣會在切割面上形成氧化膜,采用氮氣就可以進行防止氧化膜出現的無氧化切割。無氧化切割面具有可以直接進行熔接、涂抹,耐腐蝕性強等特點。切口端面發白。
  主要適用的板材有不銹鋼,電鍍鋼板,黃銅,鋁,鋁合金等。

3、空氣 
  空氣可由空氣壓縮機直接提供,所以與其他氣體相比價格非常便宜。雖然空氣中大約含有20%的氧氣,但是切割效率遠不及氧氣,切割能力與氮氣相近。切割面會出現微量氧化膜,但可作為防止涂膜層脫落的一項措施。切口端面發黃。
  主要適用的材料有鋁,鋁合金,不銹銅,黃銅,電鍍鋼板,非金屬等。

4、氬氣 
  氬氣為惰性氣體,在激光切割機切割中用于防止氧化和氮化,在熔接中也使用,與其他加工氣體相比,價格粳稻,相應增加成本。切口端面發白。

  主要適用的材料是鈦,鈦合金等。

 

輔助氣體及配置

氣壓大小及高、低壓    

  一般使用氧氣切割普通碳鋼,低壓打孔,高壓切割;使用空氣切割非金屬,低壓和高壓的壓力可調為一樣;使用氮氣切割不銹鋼等,低壓氧氣打孔。

  激光切割對輔助氣流的基本要求是:進入切口的氣流量大、速度高,以便有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。輔助氣體純度越高,切割的質量越好。

  在確保輔助氣體純度的前提下,氣壓的大小也是很重要的因素。如果輔助氣體的壓力匹配不適當,也會對切割效果造成一定影響。激光切割過程中,如果壓力不足,工件切割面處就會產生熔漬,粗糙度增大且切割速度無法提升,從而影響零件的切割效果;如果氣壓偏大,氣流過猛,會造成切割斷面粗糙度增大,切割縫變寬,還會導致切斷部分熔化,無法形成良好的切割質量。通常,隨著所切板材厚度的增加,所需輔助氣體的氣壓也逐漸增大。

光纖激光切割的工藝參數及規律

輔助氣體壓力對切割質量的影響

 

輔助氣體及配置

噴嘴選型

  噴嘴的大小及種類等對切割質量和穿孔質量有重要的影響,其不僅可防止熔漬雜物往上反彈污染聚焦鏡,還具有控制輔助氣體擴散面積及大小等作用。切割材料時,噴嘴過大或過小都會影響切割效果。切割時,需根據具體板材材質,板厚來具體選配。下表、圖分別為兩組配置噴嘴的切割對說明及不同類型噴嘴示意圖。

光纖激光切割的工藝參數及規律


 光纖激光切割的工藝參數及規律

小結:

  一般來說,噴嘴孔徑大小的選配隨切割板材厚度的增加而增大;小孔徑噴嘴可提高切割精度,大孔徑噴嘴則有利于切割較厚板材;通常,不銹鋼、鋁合金等切割采用單層噴嘴,碳鋼、結構鋼等切割采用復合噴嘴。

 

切割材料性能

材料種類

不同材料對光不同波段的吸收程度不同。當前,多數光纖激光器的輸出波長為1.064微米,而該波段的激光非常有利于金屬材料的吸收,因而光纖激光在金屬切割、焊接等加工領域展現出了優越的能力并得到了廣泛的應用。

目前,通常采用光纖激光加工(切割)的金屬材料主要有下面幾種:

不銹鋼:激光對切割不銹鋼來說是個非常有效的加工工具。在控制好激光切割工藝參數的情況下,可使切邊熱影響區很小,且切割速度快、效果好。

碳鋼:激光的碳鋼切割是利用激光的氧化熔化切割機制,其切縫可控制在滿意的寬度范圍,對碳鋼板的最大可切厚度為20mm。

鋁及合金:鋁為高反射材料,純鋁因為其高純度切割難度較大;鋁合金由于其成分差異,切割效果差別較大。鋁切割屬于激光的熔化切割機制,輔助氣體主要起從切割區吹走熔融物的作用,通??色@得較好的切面質量。

銅及合金:銅具有高反射率和良好熱傳導性。黃銅(銅合金)使用較高激光功率加輔助氣體,可以對較薄的板材進行切割;紫銅 (純銅)由于太高的反射率,連續激光很難切割,脈沖激光可以切割較薄的板材。

鈦及合金:純鈦能很好耦合聚焦激光束轉化的熱能,激光切割時輔助氣體通常采用氬氣和氮氣,以防止與氧反應產生過燒。

 

切割材料性能

材料厚度

  激光切割碳鋼板的厚度可達20mm;厚度6mm以下的不銹鋼可以進行激光切割;黃銅、鋁合金薄板可以用氮氣切割,厚板可以用氧氣切割。通常,激光功率越大可切割同種材料的厚度就相對越大;隨板材厚度增加,高反材料切割難度逐漸大。下圖為一臺500w光纖激光器切割不同厚度、不同材質時,對應最優切割效果時的厚度—切割速度的對應關系。

光纖激光切割的工藝參數及規律

分析:        

  由于不同種材料對光纖激光切割機吸收率不同,因而對同等厚度的不同材質的材料有不同的切割速度。受激光器功率影響,不同厚度的同種材料,切割的速度及效果也有顯著不同。切割輔助氣體在切割中也會對切割工藝產生一定的影響。

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