光纤激光切割的工艺参数及规律

日期: 2019-05-16
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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.

光纤激光切割的工艺参数及规律

激光切割的分类
  

1)汽化切割
  利用高能密度的激光束加热工件。在短的时间内汽化,形成蒸气。在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大,所以激光汽化切割时需要大的功率和功率密度。
  激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(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,用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,用氧气等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

光纤激光切割的工艺参数及规律


 

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机的性能。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,速度过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,适合进行微加工及薄板切割,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

  在激光切割中,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

与切割面的关系

光纤激光切割的工艺参数及规律

 

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

激光切割机的中,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。

气体种类与压力的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将对切割的性能,包括切割的精度、速度及切割厚度等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,气体的选择须根据不同的材质来确定。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,不锈铜,黄铜,电镀钢板,非金属等。

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。

  在确保辅助气体纯度的前提下,气压的大小也是很重要的因素。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,工件切割面处就会产生熔渍,粗糙度增大且切割速度无法提升,从而影响零件的切割效果;如果气压偏大,气流过猛,会造成切割断面粗糙度增大,切割缝变宽,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。

光纤激光切割的工艺参数及规律

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,其不仅可防止熔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。

光纤激光切割的工艺参数及规律


 光纤激光切割的工艺参数及规律

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以下的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。

光纤激光切割的工艺参数及规律

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X,Y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 1500W连续光纤激光器相关性能指标

光纤激光切割的工艺参数及规律

关键参数指标

  最大功率1500W连续,调制频率最高100kHz,光束质量M2<1.3。

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。


光纤激光切割的工艺参数及规律

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光纤激光切割的工艺参数及规律

激光切割工艺样品示例

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不锈钢

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碳钢


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铝合金

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黄铜





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