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影响激光切割效果的六大因素

作者: 点击:249 发表时间:2022-11-26

1、切割速度对切割效果的影响

对给定的激光功率密度和材料,切割速度符合于一个经验式,只要在通阈值以上,材料的切割速度与激光功率密度成正比,即增加功率密度可提高切割速度。这里所指的功率密度不但与激光输出功率有关,而且与光束质量模式有关。另外,光束聚焦系统的特征,即聚焦后的光斑大小也对激光切割有很大的影响。

切割速度与被切割材料的密度(比重)和厚度成反比。

当其他参数保持不变,提高切割速度的因素是:提高功率(在一定范围内,如500~2 000W);改善光束模式;减小聚焦光斑尺寸(如采用短焦距透镜聚焦);切割低起始蒸发能的材料(如塑料、有机玻璃等);切割低密度材料(如白松木等);切割薄型材料。

特别对金属材料而言,在其他工艺变量保持恒定的情况下,激光切割速度可以有一个相对调节范围而仍能保持较满意的切割质量,这种调节范围在切割薄金属时显得比厚件稍宽。有时,切割速度偏慢也会导致排出热融材料烧蚀口表面,使切面很粗糙。

2、焦点位置调整对切割质量的影响

由于激光功率密度对切割速度影响很大,透镜焦长的选择是个重要问题。激光束聚焦后光斑大小与透镜焦长成正比,光束经短焦长透镜聚焦后光斑尺寸很小,焦点处功率密度很高,对材料切割很有利;但它的缺点是焦深很短,调节余量小,一般比较适用于高速切割薄型材料。由于长焦长透镜有较宽焦深,只要具有足够功率密度,比较适合切割厚工件。

在确定使用何种焦长的透镜以后,焦点与工件表面的相对位置对保证切割质量尤为重要。由于焦点处功率密度,大多数情况下,切割时焦点位置刚处在工件表面,或稍微在表面以下。在整个切割过程中,确保焦点与工件相对位置恒定是获得稳定的切割质量的重要条件。有时,透镜工作中因冷却不善而受热从而引起焦长变化,这就需要及时调整焦点位置。

当焦点处于位置时,割缝小、效率,切割速度可获得切割结果。

在大多数应用情况下,光束焦点调整到刚处于喷嘴下。喷嘴与工件表面间距一般为1.5mm左右。

3、辅助气体压力对切割效果的影响

一般情况下,材料切割都需要使用辅助气体,问题主要牵涉到辅助气体的类型和压力。通常,辅助气体与激光束同轴喷出,保护透镜免受污染并吹走切割区底部熔渣。对非金属材料和部分金属材料,使用压缩空气或惰性气体,清除融化和蒸发材料,同时抑制切割区过度燃烧。

对大多数金属激光切割则使用活性气体(只要是O2),形成与炽热金属发生氧化放热反应,这部分附加热量可提高切割速度1/3~1/2。

在确保辅助气体前提下,气体压力大小是个极为重要的因素。当高速切割薄型材料时,需要较高的气体压力以防止切口背面粘渣(热粘渣到工件上还会损伤切边)。当材料厚度增加或切割速度较慢时则气体压力宜适当降低,为了防止塑料切边霜化,也以较低气体压力切割为好。

激光切割实践表明,当辅助气体为O2时,它的纯度对切割质量有明显影响。O2纯度降低2%会降低50%的切割速度,并导致切口质量显著变差。

工件特性对切割效果的影响

4、材料表面反射率

对CO2激光器发射出的10.6mm远红外光束来说,非金属材料对它吸收较好,即具有高的吸收率,面金属材料则对10.6mm光束吸收较差,特别是具有高反射率的金、银、铜和铝金属等,对这类材料一般不适宜用CO2激光束,特别是连续波光束来切割。对铝、铜金属而言,要形成足够的起始功率一般需要3kW以上,以获得穿透效果所需要的初始小孔。

黑色金属钢铁类材料及镍、钛等对10.6mm的CO2光束有一定吸收率,特别是当材料表面加热到一定温度或氧化膜以后,其吸收率还会大幅度提高,从而获得较好的切割效果。

对不透明材料,吸收率=(1-反射率),与材料表面状态、温度及波长有关。

材料对光束的吸收率大小在加热起始阶段具有重要作用,但一旦工件内部小孔形成,小孔的黑体效应使材料对光束的吸收率接近。

材料的表面状态直接影响对光束的吸收,尤其是表面粗糙度和表面氧化层会造成表面吸收率的明显变化。在激光切割实践中,有时可利用材料表面状态对光束吸收率的影响来改善材料的切割性能。

5、割炬和喷嘴的影响

割炬的设计和制造对获得良好切割质量产生着重要影响,特别是喷嘴。

喷嘴如选用不当或维护不善易造成污染或损伤,或者由于喷嘴口的圆度不好或因热金属飞溅引起局部堵塞,都会在喷嘴中形成涡流,导致切割性能明显变差。有时,喷嘴口与聚焦光束不同轴,形成光束剪切喷嘴边缘,也会影响切边质量,增加切缝宽度和使切割尺寸错位。

对喷嘴来说,要特别注意两个问题。

(1)喷嘴直径的影响。

(2)喷嘴与工件表面间距的影响。

6、外光路系统的影响

激光器射出的原始光束是经过外光路系统的传输(包括反射和透射),以极高的功率密度准确地照射到工件的表面。

外光路系统的光学元件应定期检查、及时调整,确保当切割炬在工件上方运行时,光束正确地传输到透镜中心并聚焦成很小的光点,对工件进行高质量切割。一旦其中任何一光学元件位置发生变化或受到污染,都会影响切割质量,甚至造成切割不能进行。

外光路镜片受到气流中杂质污染和切割区飞溅质点粘结,或者镜片冷却不足,都会使镜片发生过热,影响光束能量传输。引起光路准直度飘移而导致严重后果,透镜过热还会产生焦点失真,甚至危及透镜本身。

郑州玉花钢铁有限公司是一家专业从事钢材加工、激光切割、钢板折弯等加工技术的企业。

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