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光纤激光切割的工艺参数及规律

来源: 日期:2016-9-18 15:51:12

激光切割原理

      利用经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、烧蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现将工件割开,激光切割属于热切割方法之一,其工作原理图如下图示[1]

[1]陈家璧,彭润玲,等.激光原理及应用[J]. 电子工业出版社,2008:174.


激光切割的分类
  

        1汽化切割
  利用高能密度激光束加热工件。在短的时间内汽化,形成蒸气。在材料上形成切口。材料汽化热一般很大,所以激光汽化切割时需要大功率功率密度。
  激光汽化切割多用于极薄金属材料非金属材料如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。
  

        2)熔化切割
  激光熔化切割时,激光加热使金属材料熔化,喷嘴喷吹非氧化性气体(氩气、氦气、氮气等),依靠气体的强大压力使液态金属排出,形成切口。所需能量约为汽化切割的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属的切割,如不锈钢、钛、铝及相关合金等。
  

        3)氧气切割
  它是用激光作为预热热源,氧气活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出,而切割速度一般大于激光汽化切割和熔化切割。
  激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料


激光切割的相关工艺参数


激光功率及光束聚焦特性

激光输出功率

       激光输出功率直接影响激光切割性能通常,随板厚的增加,所需的激光功率也越大。在同种同厚度板材切割中,激光输出功率越大,切割速度越快,切割端面也越光滑;但在输出功率确定后,切割速度须和材料材质及其厚度吻合好,此时才能达到最好的切割效果速度快和过慢都会影响激光切割的效果             

激光输出模式

       单模是指在一条光纤上运行一种波长的模态,多模是指在一条光纤线上运行一种以上波长的模态。通常,单模激光光束质量好,形成的光斑小,适合进行加工及薄板切割,且加工精度高;多模激光则适合金属焊接、工业零部件热处理及不锈钢、铝、钢材等厚板材料的高质量切割。 


激光输出及光束聚焦特性

焦点大小及焦深长度

         激光切割中,焦点位置对材料的切割效果影响很大,不同的材质或厚度,激光切割时对应不同的焦点位置。

       激光切割中,焦点大小焦深是影响切割效果和效率的重要因素之一。光束经短焦距聚焦镜后光斑直径相对较小、焦深短,焦点处功率密度很高,则有利于高速切割薄型材料,且切割精度高。经长焦距透镜后,焦点有较长的焦深,但焦点直径相对较大,只要具有足够功率密度,则比较适合切割厚工件

焦点位置

通常焦点位置

切割面的关系


小结:

   切割薄板时,焦点一般在工件表面处;切割厚板时,不锈钢焦点通常深入板内约为板厚的1/3—1/4处,处于负离焦距范围;碳钢时,焦点在其板面上方,且随板厚度的增加焦点越远离板面,处于正离焦范围。


辅助气体及配置

  激光切割的中与激光输出同轴的辅助气体不但可吹走割缝内的熔渣,还能冷却加工物体表面,减少热影响区,冷却聚焦透镜,防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热

  气体种类与压力选择对切割工艺也有重要的影响选择辅助气体的种类及相应气压大小的匹配对切割的性能,包括切割的精度、速度切割厚度都会产生一定的影响。

气体种类        

         一般情况下,激光切割过程都需要使用辅助气体,气体的选择须根不同的材质确定激光切割中通常使用的辅助气体有氧气、氮气、空气等,其效果及功能如下:

             1、氧气 
    
    主要用于激光切割机切割碳钢。利用氧气反应热大幅面提高切割效率的同时,产生的氧化膜会提高反射材料的光束光谱吸收因数。切口端面发黑或者暗黄色。 
    
  主要适用压延钢材,溶接构造用压延钢材,机械构造用碳钢,高张力版,工具板,不锈钢,电镀钢板,铜,铜合金等。

             2、氮气 
        一些金属在切割的时候采用氧气会在切割面上形成氧化膜,采用氮气就可以进行防止氧化膜出现的无氧化切割。无氧化切割面具有可以直接进行熔接、涂抹,耐腐蚀性强等特点。切口端面发白。
    
主要适用的板材有不锈钢,电镀钢板,黄铜,铝,铝合金等。

             3、空气 
     空气可由空气压缩机直接提供,所以与其他气体相比价格非常便宜。虽然空气中大约含有20%的氧气,但是切割效率远不及氧气,切割能力与氮气相近。切割面会出现微量氧化膜,但可作为防止涂膜层脱落的一项措施。切口端面发黄。
    
     主要适用的材料有铝,铝合金锈铜,黄铜,电镀钢板,非金属

             4、氩气 
    
  氩气为惰性气体,在激光切割机切割中用于防止氧化和氮化,在熔接中也使用,与其他加工气体相比,价格粳稻,相应增加成本。切口端面发白

      主要适用的材料是钛,钛合金等


辅助气体及配置

气压大小及高、低压    

          一般使用氧气切割普通碳钢,低压打孔,高压切割;使用空气切割非金属,低压和高压的压力可调为一样;使用氮气切割不锈钢等,低压氧气打孔。

         激光切割对辅助气流的基本要求是进入切口的气流量大、速度高,以便有足够的动量将熔融材料喷射带出。辅助气体纯度越高,切割的质量越好

         确保辅助气体纯度的前提下,气压的大小也重要的因素。如果辅助气体的压力匹配不适当也会对切割效果造成一定影响。激光切割过程中,如果压力不足,工件切割面产生熔渍粗糙度增大且切割速度无法提升从而影响零件的切割如果气压,气流过猛,会造成切割断面粗糙度增大割缝宽,还会导致切断部分熔化,无法形成良好的切割质量通常,随着所切板材厚度的增加,所需辅助气体的气压也逐渐增大。

 辅助气体压力对切割质量的影响


辅助气体及配置

喷嘴选型

   喷嘴的大小及种类等对切割质量和穿孔质量有重要的影响其不仅可防止渍杂物往上反弹污染聚焦镜,还具有控制辅助气体扩散面积及大小等作用。切割材料时,喷嘴过大或过小都会影响切割效果。切割时,需根据具体板材材质,板厚来具体选配。下表、图分别为两组配置喷嘴的切割对说明及不同类型喷嘴示意图。



小结:

   一般来说,喷嘴孔径大小的选配随切割板材厚度的增加而增大;小孔径喷嘴可提高切割精度,大孔径喷嘴则有利于切割较厚板材;通常,不锈钢、铝合金等切割采用单层喷嘴,碳钢、结构钢等切割采用复合喷嘴。


切割材料性能

材料种类

  不同材料对光不同波段的吸收程度不同。当前多数光纤激光器的输出波长为1.064微米,而该波段的激光非常有利于金属材料的吸收,因而光纤激光在金属切割、焊接等加工领域展现出了优越的能力并得到了广泛的应用

  目前通常采用光纤激光加工(切割)的金属材料主要有下面几种:

不锈钢:激光对切割不锈钢来说是个非常有效的加工工具。在控制好激光切割工艺参数的情况下,可使切边热影响区很小,且切割速度快、效果好。

碳钢:激光的碳钢切割是利用激光的氧化熔化切割机制,其切缝可控制在满意的宽度范围,对碳钢板的最大可切厚度为20mm

铝及合金:铝为高反射材料,纯铝因为其高纯度切割难度较大;铝合金由于其成分差异,切割效果差别较大。铝切割属于激光的熔化切割机制,辅助气体主要起从切割区吹走熔融物的作用,通常可获得较好的切面质量。

铜及合金:铜具有高反射率和良好热传导性。黄铜(铜合金)使用较高激光功率加辅助气体,可以对较薄的板材进行切割;紫铜 (纯铜)由于太高的反射率,连续激光很难切割,脉冲激光可以切割较薄的板材

钛及合金:纯钛能很好耦合聚焦激光束转化的热能,激光切割时辅助气体通常采用氩气和氮气,以防止与氧反应产生过烧。


切割材料性能

材料厚度

         激光切割碳钢板的最大厚度可达20mm厚度6mm以下不锈钢可以进行激光切割黄铜、铝合金薄板可以用氮气切割厚板可以用氧气切割。通常,激光功率越大可切割同种材料的厚度就相对越大;随板材厚度增加,高反材料切割难度逐渐大。下图为一台500w光纤激光器切割不同厚度、不同材质时,对应最优切割效果时的厚度切割速度的对应关系。


分析:        

       由于不同种材料对光纤激光吸收率不同,因而对同等厚度的不同材质的材料有不同的切割速度。受激光器功率影响,不同厚度的同种材料,切割的速度及效果也有显著不同。切割辅助气体在切割中也会对切割工艺产生一定的影响。


运动轴选型  

         激光切割中,影响切割工艺效果的因素还有机床进给系统的选择与配置,机床进给靠X,Y运动轴来驱动,因此,运动轴的选取可以影响激光切割的速度及工件的精度。

运动轴种类  

          通常XY轴运动采用伺服电机,步进电机及直线电机等。

        伺服、步进电机特点:速度控制精度,转距速度特性硬,控制原理简单,使用方便,价格便宜。但在存在步距角小,启动与运行频率较高,步距角精度较低,无自锁力矩等方面不足。
        直线电机特点:结构简单、可适应高速直线运动、初级绕组利用率高无横向边缘效应、容易克服单边磁拉力问题。

运动轴安装配置

         通常3015机台配置基于伺服电机,步进电机的X轴,单Y轴、双Y轴的进给系统;精密机台配置基于直线电机进给系统。


飞博MARS 1000W连续光纤激光器相关性能指标


关键参数指标

         最大功率1000W连续,调制频率最高100kHz,光束质量M21.3

产品应用

          激光切割、钻孔,激光焊接;激光打标、划线;精密加工;激光快速成型。




激光切割工艺样品示例