光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

日期: 2019-05-16
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激光切割原理

??利用經(jīng)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(dá)到燃點(diǎn),同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)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(yīng)用[J].?電子工業(yè)出版社,2008:174.

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)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(shí)間內(nèi)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(shí)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(shí),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?dú)獾龋揽繗怏w的強(qiáng)大壓力使液態(tài)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(guān)合金等。
  

3)氧氣切割
  它是用激光作為預(yù)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(fā)生氧化反應(yīng),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(yīng)區(qū)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。

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激光切割的相關(guān)工藝參數(shù)

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律


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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(jī)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(zhì)及其厚度吻合好,此時(shí)才能達(dá)到最好的切割效果,速度過快和過慢都會(huì)影響激光切割的效果。?

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激光輸出模式

??單模是指在一條光纖上運(yùn)行一種波長(zhǎng)的模態(tài),多模是指在一條光纖線上運(yùn)行一種以上波長(zhǎng)的模態(tài)。通常,單模激光光束質(zhì)量好,形成的光斑小,適合進(jìn)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(yè)零部件熱處理及不銹鋼、鋁、鋼材等厚板材料的高質(zhì)量切割。?

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激光輸出及光束聚焦特性

焦點(diǎn)大小及焦深長(zhǎng)度

??在激光切割中,焦點(diǎn)位置對(duì)材料的切割效果影響很大,不同的材質(zhì)或厚度,激光切割時(shí)對(duì)應(yīng)不同的焦點(diǎn)位置。

??激光切割中,焦點(diǎn)大小焦深是影響切割效果和效率的重要因素之一。光束經(jīng)短焦距聚焦鏡后光斑直徑相對(duì)較小、焦深短,焦點(diǎn)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(jīng)長(zhǎng)焦距透鏡后,焦點(diǎn)有較長(zhǎng)的焦深,但焦點(diǎn)直徑相對(duì)較大,只要具有足夠功率密度,則比較適合切割厚工件。

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焦點(diǎn)位置

通常焦點(diǎn)位置

與切割面的關(guān)系

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

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小結(jié)

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

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輔助氣體及配置

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

氣體種類與壓力的選擇對(duì)切割工藝也有重要的影響。選擇輔助氣體的種類及相應(yīng)氣壓大小的匹配將對(duì)切割的性能,包括切割的精度、速度及切割厚度等都會(huì)產(chǎn)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(jù)不同的材質(zhì)來確定。激光切割中通常使用的輔助氣體有氧氣、氮?dú)?、空氣等,其效果及功能如下?/span>

1、氧氣?
??主要用于激光切割機(jī)切割碳鋼。利用氧氣反應(yīng)熱大幅面提高切割效率的同時(shí),產(chǎn)生的氧化膜會(huì)提高反射材料的光束光譜吸收因數(shù)。切口端面發(fā)黑或者暗黃色。?
??主要適用壓延鋼材,溶接構(gòu)造用壓延鋼材,機(jī)械構(gòu)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?dú)?
??一些金屬在切割的時(shí)候采用氧氣會(huì)在切割面上形成氧化膜,采用氮?dú)饩涂梢赃M(jìn)行防止氧化膜出現(xiàn)的無氧化切割。無氧化切割面具有可以直接進(jìn)行熔接、涂抹,耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。切口端面發(fā)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(jī)直接提供,所以與其他氣體相比價(jià)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(yuǎn)不及氧氣,切割能力與氮?dú)庀嘟G懈蠲鏁?huì)出現(xiàn)微量氧化膜,但可作為防止涂膜層脫落的一項(xiàng)措施。切口端面發(fā)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(jī)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(jià)格粳稻,相應(yīng)增加成本。切口端面發(fā)白。

??主要適用的材料是鈦,鈦合金等。

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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(diào)為一樣;使用氮?dú)馇懈畈讳P鋼等,低壓氧氣打孔。

??激光切割對(duì)輔助氣流的基本要求是:進(jìn)入切口的氣流量大、速度高,以便有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴射帶出。輔助氣體純度越高,切割的質(zhì)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(dāng),也會(huì)對(duì)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(huì)產(chǎn)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(huì)造成切割斷面粗糙度增大,切割縫變寬,還會(huì)導(dǎo)致切斷部分熔化,無法形成良好的切割質(zhì)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(shù)及規(guī)律

輔助氣體壓力對(duì)切割質(zhì)量的影響

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輔助氣體及配置

噴嘴選型

??噴嘴的大小及種類等對(duì)切割質(zhì)量和穿孔質(zhì)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(kuò)散面積及大小等作用。切割材料時(shí),噴嘴過大或過小都會(huì)影響切割效果。切割時(shí),需根據(jù)具體板材材質(zhì),板厚來具體選配。下表、圖分別為兩組配置噴嘴的切割對(duì)說明及不同類型噴嘴示意圖。

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律


?光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

小結(jié):

??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(jié)構(gòu)鋼等切割采用復(fù)合噴嘴。

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切割材料性能

材料種類

不同材料對(duì)光不同波段的吸收程度不同。當(dāng)前,多數(shù)光纖激光器的輸出波長(zhǎng)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(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)越的能力并得到了廣泛的應(yīng)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(duì)切割不銹鋼來說是個(gè)非常有效的加工工具。在控制好激光切割工藝參數(shù)的情況下,可使切邊熱影響區(qū)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(jī)制,其切縫可控制在滿意的寬度范圍,對(duì)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?yàn)槠涓呒兌惹懈铍y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(jī)制,輔助氣體主要起從切割區(qū)吹走熔融物的作用,通??色@得較好的切面質(zhì)量。

銅及合金:銅具有高反射率和良好熱傳導(dǎo)性。黃銅(銅合金)使用較高激光功率加輔助氣體,可以對(duì)較薄的板材進(jìn)行切割;紫銅?(純銅)由于太高的反射率,連續(xù)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(zhuǎn)化的熱能,激光切割時(shí)輔助氣體通常采用氬氣和氮?dú)?,以防止與氧反應(yīng)產(chǎn)生過燒。

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切割材料性能

材料厚度

??激光切割碳鋼板的最大厚度可達(dá)20mm;厚度6mm以下的不銹鋼可以進(jìn)行激光切割;黃銅、鋁合金薄板可以用氮?dú)馇懈?,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(duì)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(tái)500w光纖激光器切割不同厚度、不同材質(zhì)時(shí),對(duì)應(yīng)最優(yōu)切割效果時(shí)的厚度—切割速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

分析:????????

??由于不同種材料對(duì)光纖激光吸收率不同,因而對(duì)同等厚度的不同材質(zhì)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(huì)對(duì)切割工藝產(chǎn)生一定的影響。

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運(yùn)動(dòng)軸選型??

? ?激光切割中,影響切割工藝效果的因素還有機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的選擇與配置,機(jī)床進(jìn)給靠X,Y運(yùn)動(dòng)軸來驅(qū)動(dòng),因此,運(yùn)動(dòng)軸的選取可以影響激光切割的速度及工件的精度。

運(yùn)動(dòng)軸種類??

??通常X,Y軸運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī),步進(jìn)電機(jī)及直線電機(jī)等。

??伺服、步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn):速度控制精度,轉(zhuǎn)距速度特性硬,控制原理簡(jiǎn)單,使用方便,價(jià)格便宜。但在存在步距角小,啟動(dòng)與運(yùn)行頻率較高,步距角精度較低,無自鎖力矩等方面不足。
??直線電機(jī)特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)、初級(jí)繞組利用率高無橫向邊緣效應(yīng)、容易克服單邊磁拉力問題。

運(yùn)動(dòng)軸安裝配置

??通常,3015機(jī)臺(tái)配置基于伺服電機(jī),步進(jìn)電機(jī)的X軸,單Y軸、雙Y軸的進(jìn)給系統(tǒng);精密機(jī)臺(tái)配置基于直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)。\


飛博MARS 1500W連續(xù)光纖激光器相關(guān)性能指標(biāo)

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)

??最大功率1500W連續(xù),調(diào)制頻率最高100kHz,光束質(zhì)量M2<1.3。

產(chǎn)品應(yīng)用

??激光切割、鉆孔,激光焊接;激光打標(biāo)、劃線;精密加工;激光快速成型。


光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

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激光切割工藝樣品示例

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不銹鋼

光纖激光切割的工藝參數(shù)及規(guī)律

碳鋼


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鋁合金

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黃銅





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