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昆山AG亚游集团物資有限公司

Kunshan Gangyou Materials Co., Ltd.

激光切割的質量控製

2018年01月04日

激光切割質量控製

激光切割的過程是材料吸收光能並轉化為熱能,並使材料熔化、汽化的過程。

1) 激光器輸出高能量密度的激光束。

2) 光束通過聚焦鏡,被聚焦,能量高度集中。

3) 聚焦後的光束從噴嘴中心通過,噴嘴內噴出切割輔助氣體,其軸心與光路相同。

4) 在激光束和切割氣體的共同作用下,切割材料迅速加熱、氧化與蒸發,達到切割目的。

激光切割的基本原理是激光與物質的相互作用,它既包含複雜的微觀量子過程,也包含激光作用於各種介質材料所發生的宏觀現象。而這些宏觀現象包括材料對激光的吸收、反射、折射,能量轉換和傳遞,材料狀態及周圍氣體成份,光束作用於材料表麵時的組織效應等。

因此,影響激光切割質量的因素十分複雜,除了加工材料本身之外,主要是光束特性、激光功率、切割速度、噴嘴型式(孔徑)和噴嘴高度、焦點位置、輔助氣體種類和壓力等。

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一、 光束特性對切割質量的影響

激光切割的切口寬度同光束模式和聚焦後光斑直徑有較大關係。由於激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑有關,為了獲得較大的功率密度和能量客度,在激光切割加工中,光斑直徑要求盡可能小。而光斑直徑的大小主要取決於振蕩器輸出的激光束直徑及其發散角的大小,同時與聚焦透鏡的焦距有關。對於一般激光切割中應用較廣的ZnSe平凸聚焦透鏡,其光斑直徑d與焦距ƒ、發散角θ及入射激光束直徑D之間的關係可按下式進行計算:

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由上式,若激光束本身的發散角較小,光斑的直徑也會變小,就能獲得好的切割效果。減小透鏡焦距ƒ有利於縮小光斑直徑,但ƒ減小,焦深縮短,對於切割較厚板材,就不利於獲得上部和下部等寬的切口,影響割縫質量;同時,ƒ減小,透鏡與工件的間距也縮小,切割時熔渣會飛濺黏附在透鏡表麵,影響切割的正常進行和透鏡的實驗壽命。透鏡焦長小,光束聚焦後功率密度高,但焦深受到限製。它適用於薄板高速切割,隻需保證保持透鏡和工件間距恒定。長焦透鏡的聚焦光斑功率密較低,但其焦深大,可用來切割厚斷麵材料。焦長短,聚焦光斑小;焦長長,聚焦光斑也大,焦深變化也如此。當透鏡焦長增加,使聚焦光斑尺寸增加1倍,即從Y到2Y時,焦深可隨之增加到4倍,即從X到4X。


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1 聚焦鏡的聚焦作用

光束模式與它的聚焦能力有關,與機械刀具的刃口尖銳度有點相似。最低階模是TEM00,光斑內能量呈高斯分布。它幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸,如幾個微米直徑,並形成尖的高能量密度。激光模式示意如圖3-3。而高階或多模光束的能量分布較擴張,經聚焦的光斑較大而能量密度較低,用它來切割材料如同拿一把鈍刀來進行切割。


 

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2 光束能量分布模式

光束的模式越低,聚焦後的光斑尺寸越小,功率密度和能力密度越大,切割性能也就越好。在低碳鋼的切割場合,采用基模TEM00時的切割速度比采用TEM01模式時高出10%,而其產生的粗糙度Rz則要低10μm。在最佳切割參數時,切割麵的粗糙度Rz隻有0.8μm。因此,在金屬材料的激光切割中,為了獲得較高的切割速度和較好的切割質量,一般使用TEM00模式的激光。

一、 激光功率對切割質量的影響

激光功率的大小直接影響所能切割鋼板的厚度,能量越高,可切割材料厚度就越厚。另外,它又影響著工件尺寸精度、切縫寬度、切割麵的粗糙度和熱影響區的寬度等。在激光切割加工中,照射到工件上的激光功率密度P0W/cm2)和能量密度E0(J/cm2)對激光切割過程起著重要的影響。隨著激光功率密度的提高,粗糙度降低。當功率密度P0達到某一值(3×106W/cm2左右)後,粗糙度Rz值不再減少。

激光功率越大,所能切割的材料厚度也越厚;但相同功率的激光,因材料不同,所能切割的厚度也不同。表1給出了各種功率的CO2激光切割某些金屬材料的實驗最大厚度。

1  激光功率與金屬最大切割厚度

CO2激光功率/W

最大切割厚度/mm

碳素鋼

不鏽鋼

鋁合金

黃銅

1500

12

9

3

1

2

1500

12

-

6

3

4

3000

22

12

-

5

5

4000

25

14

10

5

8

對連續波輸出的激光器來說,激光功率大小和模式都會對切割質量發生重要影響。實際操作時,常常設置最大功率,以獲得最快切割速度,提高生產效率,或用以切割較厚的材料。理論上,AG亚游集团要求激光器輸出功率越大越好,但考慮激光器本身成本問題,激光器輸出功率隻有盡可能達切割機本身的最大值。下圖示出當激光功率不足時,切割低碳鋼板產生的問題(未切透a、下部產生大量沾渣b及粗糙的斷麵c等)。


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(a)

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(b)


 

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(c)

3 激光功率對低碳鋼切割質量影響

 




來源:昆山AG亚游集团物資有限公司
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