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如何保證激光切割的質量?有哪些影響因素?

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如何保證激光切割的質量?有哪些影響因素?

發布日期:2019-06-05 作者: 點擊:

焦點位置調整的影響


由于激光功率密度對切割速度影響很大,透鏡焦長的選擇是個重要題目。激光束聚焦後光斑大小與透鏡焦長成正比,光束經短焦長透鏡聚焦後光斑尺寸很小,焦點處功率密度很高,對材料切割很有利;但它的缺點是焦深很短,調節餘量小,一般比較适用于高速切割薄型材料。由于長焦長透鏡有較寬焦深,隻要具有足夠功率密度,比較适合切割厚工件。


在确定使用何種焦長的透鏡以後,焦點與工件表面的相對位置對保證切割質量尤為重要。由于焦點處功率密度最高,大多數情況下,切割時焦點位置剛處在工件表面,或稍微在表面以下。在整個切割過程中,确保焦點與工件相對位置恒定是獲得穩定的切割質量的重要條件。有時,透鏡工作中因冷卻不善而受熱從而引起焦長變化,這就需要及時調整焦點位置。


當焦點處于最佳位置時,割縫最小、效率最高,最佳切割速度可獲得最佳切割結果。


在大多數應用情況下,光束焦點調整到剛處于噴嘴下。噴嘴與工件表面間距一般為1.5mm左右。


切割速度的影響


對給定的激光功率密度和材料,切割速度符合于一個經驗式,隻要在通阈值以上,材料的切割速度與激光功率密度成正比,即增加功率密度可進步切割速度。這裡所指的功率密度不但與激光輸出功率有關,而且與光束質量模式有關。另外,光束聚焦系統的特征,即聚焦後的光斑大小也對激光切割有很大的影響。


切割速度與被切割材料的密度(比重)和厚度成反比。


當其他參數保持不變,進步切割速度的因素是:進步功率(在一定範圍内,如500~2 000W);改善光束模式(如從高階模到低階模直至TEM00);減小聚焦光斑尺寸(如采用短焦距透鏡聚焦);切割低起始蒸發能的材料(如塑料、有機玻璃等);切割低密度材料(如白松木等);切割薄型材料。


特别對金屬材料而言,在其他工藝變量保持恒定的情況下,激光切割速度可以有一個相對調節範圍而仍能保持較滿足的切割質量,這種調節範圍在切割薄金屬時顯得比厚件稍寬。有時,切割速度偏慢也會導緻排出熱融材料燒蝕口表面,使切面很粗糙。


輔助氣體壓力的影響


一般情況下,材料切割都需要使用輔助氣體,題目主要牽涉到輔助氣體的類型和壓力。通常,輔助氣體與激光束同軸噴出,保護透鏡免受污染并吹走切割區底部熔渣。對非金屬材料和部分金屬材料,使用壓縮空氣或惰性氣體,清除融化和蒸發材料,同時抑制切割區過度燃燒。


對大多數金屬激光切割則使用活性氣體(隻要是O2),形成與熾熱金屬發生氧化放熱反應,這部分附加熱量可進步切割速度1/3~1/2。


在确保輔助氣體條件下,氣體壓力大小是個極為重要的因素。當高速切割薄型材料時,需要較高的氣體壓力以防止切口背面粘渣(熱粘渣到工件上還會損傷切邊)。當材料厚度增加或切割速度較慢時則氣體壓力宜适當降低,為了防止塑料切邊霜化,也以較低氣體壓力切割為好。


激光切割實踐表明,當輔助氣體為O2時,它的純度對切割質量有明顯影響。O2純度降低2%會降低50%的切割速度,并導緻切口質量明顯變差。


激光輸出功率的影響


對連續波輸出的激光器來說,激光功率大小和模式好壞都會對切割發生重要影響。實際操縱時,經常設置最大功率以獲得較高的切割速度,或用以切割較厚材料。但光束模式(光束能量在橫斷面上的分布)有時顯得更加重要,而且,當進步輸出功率時,模式常随之稍有變差。常可發現,在小于最大功率狀況下焦點處卻獲得最高功率密度,并獲得最佳切割質量。在激光器整個有效工作壽命期間,模式并不一緻。光學元件的狀況、激光工作混合氣體細微的變化和流量波動,都會影響模式機構。


綜上所述,固然影響激光切割的因素較為複雜,但切割速度、焦點位置、輔助氣體壓力和激光功率及模式結構是4個最重要的變量。在切割過程中,如發現切割質量明顯變差,就首先要檢查以上讨論的因素并及時加以調控。


工件特性對切割質量的影響


對激光切割質量甚至能否切割影響最大的有如下因素。


1.材料表面反射率


對CO2激光器發射出的10.6mm遠紅外光束來說,非金屬材料對它吸收較好,即具有高的吸收率,面金屬材料則對10.6mm光束吸收較差,特别是具有高反射率的金、銀、銅和鋁金屬等,對這類材料一般不适宜用CO2激光束,特别是連續波光束來切割。對鋁、銅金屬而言,要形成足夠的起始功率一般需要3kW以上,以獲得穿透效果所需要的初始小孔。


玄色金屬鋼鐵類材料及鎳、钛等對10.6mm的CO2光束有一定吸收率,特别是當材料表面加熱到一定溫度或氧化膜以後,其吸收率還會大幅度進步,從而獲得較好的切割效果。


對不透明材料,吸收率=(1-反射率),與材料表面狀态、溫度及波長有關。


材料對光束的吸收率大小在加熱起始階段具有重要作用,但一旦工件内部小孔形成,小孔的黑體效應使材料對光束的吸收率接近100%。


2.材料表面狀态


材料的表面狀态直接影響對光束的吸收,尤其是表面粗糙度和表面氧化層會造成表面吸收率的明顯變化。在激光切割實踐中,有時可利用材料表面狀态對光束吸收率的影響來改善材料的切割性能。


其他因素對切割質量的影響


1.割炬和噴嘴的影響


割炬的設計和制造對獲得良好切割質量産生着重要影響,特别是噴嘴。


噴嘴如選用不當或維護不善易造成污染或損傷,或者由于噴嘴口的圓度不好或因熱金屬飛濺引起局部堵塞,都會在噴嘴中形成渦流,導緻切割性能明顯變差。有時,噴嘴口與聚焦光束不同軸,形成光束剪切噴嘴邊沿,也會影響切邊質量,增加切縫寬度和使切割尺寸錯位。


對噴嘴來說,要特别留意兩個題目。


(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口大小對切割速度有一定的影響,噴嘴口大小也影響出口處壓力分布。噴嘴直徑增加,由于噴氣流對切割區母材的強烈冷卻作用使熱影響區變窄,但也會導緻切縫過寬,而噴嘴大小會引起準直困難,噴嘴口有被光束削截的危險,而且,切縫過窄,在高的切割速度下會阻礙熔渣的順利排出。


(2)噴嘴與工件表面間距的影響。噴嘴與工件間距直接影響噴嘴氣流與工件切縫的耦合。噴嘴口太靠近工件表面,對透鏡會産生強烈的返回壓力,減弱了對濺散切割産物質點的驅散能力,對切割質量有不利影響,但間隔太遠又會造成不必要的動能損失,對有效切割也不利。一般,噴口與工件間距控制在1~2mm為宜,現代激光切割系統的割炬都配有電感或電容式傳感器反饋裝置,以自動調節兩者間隔在預先設定的高度範圍内。


2.外光路系統的影響


激光器射出的原始光束是經過外光路系統的傳輸(包括反射和透射),以極高的功率密度正确地照射到工件的表面。


外光路系統的光學元件應定期檢查、及時調整,确保當切割炬在工件上方運行時,光束正确地傳輸到透鏡中心并聚焦成很小的光點,對工件進行高質量切割。一旦其中任何一光學元件位置發生變化或受到污染,都會影響切割質量,甚至造成切割不能進行。


外光路鏡片受到氣流中雜質污染和切割區飛濺質點粘結,或者鏡片冷卻不足,都會使鏡片發生過熱,影響光束能量傳輸。引起光路準直度飄移而導緻嚴重後果,透鏡過熱還會産生焦點失真,甚至危及透鏡本身。


光學元件一旦受到污染甚至粘上切割産物小質點,對它的清理是個極為重要而往往會被忽視的題目,下面列出一些清洗要點:


(1)透鏡的清洗:把擦鏡頭紙彎成幾折,用幾滴分析純丙酮浸濕;用浸濕的鏡頭紙輕輕擦拭鏡頭表面,留意不能用手指壓鏡片;反複幾次,直到鏡片表面清潔、沒有污垢和殘存痕迹留在鏡面;用幹空氣吹幹;必要時可把用幾滴丙酮弄濕的鏡頭紙卷成杆,輕輕地擦洗鏡片表面,以往除重污滴。


要留意的是丙酮易從空氣中吸收潮氣和水分污染丙酮本身,所以要蓋緊丙酮瓶,千萬不要将清洗後剩下的丙酮液倒回到新的丙酮瓶中。


(2)反射鏡鏡片的清洗:從鏡架上拆除鏡片;鏡面朝上,把鏡頭紙放在鏡面上;在鏡頭紙上滴幾滴丙酮,并輕拉鏡頭紙撩過鏡面;反複上述工序,直至鏡面清潔,無污穢和殘漬留在鏡面; 再把鏡片裝進鏡座。


假如采用钼鏡作反射鏡,由于它不能鍍層,抛光後即可直接使用,所以它可用水(肥皂水或含洗潔精的水)清洗鏡面。但其他表面有鍍層的鏡片不能用水清洗,由于很多鍍層溶解于水,鏡片将遭破壞。

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