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浅谈光纤激光切割的工艺参数及原理规律

2020-11-20 09:49:09

激光切割原理

光纤激光切割机使用的高功率密度激光的焦点工件,使辐照材料迅速融化,蒸发和消融或达到燃点,同时借助高速气流和光束同轴吹熔料,从而实现工件切割,激光切割是一种热切割方法,其工作原理如下图所示。

光纤激光切割工艺参数及规律

激光切割的分类

1)汽化切割

用高能量密度的激光束加热工件。它在短时间内蒸发形成蒸汽。在这块材料上剪一个洞。材料的汽化热一般都很大,所以激光汽化切割需要较大的功率和功率密度。

激光汽化切割用于切割极薄的金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料、橡胶等)。

2)熔化切割

激光熔化切割,用激光加热金属材料熔化,喷嘴吹出非氧化气体(氩气、氦气、氮气等),依靠强大的气体压力将液态金属排出,形成切口。所需能量约为汽化切割的十分之一。

激光熔化切割主要用于切割一些不易氧化的材料或活性金属,如不锈钢、钛、铝及相关合金。

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。一方面,喷射出的气体与切割金属发生作用,产生氧化反应,释放大量的氧化热;另一方面,熔融的氧化物和熔体被吹出反应区,切割速度一般大于激光汽化切割和熔化切割。

激光氧切割主要用于碳钢、钛钢及热处理钢等易氧化的金属材料。

激光切割相关工艺参数

光纤激光切割工艺参数及规律

激光功率和光束聚焦特性

激光输出功率

激光输出功率直接影响激光切割机的性能。一般来说,随着平板厚度的增加,所需的激光功率也随之增加。在相同厚度的板材切割时,激光输出功率越高,切割速度越快,切割端面越光滑;但在确定输出功率后,切割速度必须与材料及其厚度一致,才能达到好的的切割效果,速度过快和过慢都会影响激光切割的效果。

激光输出模式

单模是指在光纤上运行的一个波长的模式,多模是指在光纤线路上运行的多个波长的模式。通常,单模激光光束质量好,形成的光斑小,适合微加工和薄板切割,加工精度高;多模激光适用于金属焊接、工业零件热处理及不锈钢、铝、钢等厚板材料的优质切割。

激光输出及光束聚焦特性

焦距大小和焦距长度

在激光切割中,焦点位置对材料的切割效果有很大的影响,不同的材料或厚度,激光切割对应不同的焦点位置。

在激光切割中,焦点的大小和深度是影响切割效果和效率的重要因素之一。光斑直径相对较小,焦深短,焦点处的功率密度高,有利于薄材料的高速切削和较高的切削精度。经过长焦距镜头,焦距有较长的焦深,但焦距直径相对较大,只要有足够的功率密度,更适合切割较厚的工件。

焦点的位置

正常的焦点位置

与切割表面的关系

光纤激光切割工艺参数及规律

简介:

切割薄板时,焦点一般在工件表面;切割厚板时,不锈钢焦距通常深入板厚约1/3-1/4,在负焦距范围内;碳钢时,焦点在板面上方,且随着板面厚度的增加,焦点远离板面,在正向离焦范围内。

金属激光切割

辅助气体及配置

激光切割机,辅助气体与激光同轴输出不仅可以吹走的渣切割槽,但也冷静的表面加工对象,减少热影响区,聚焦透镜降温,防止灰尘进入镜头和镜头座污染导致镜头过热。

气体类型和压力的选择对切割过程也有重要影响。辅助气的类型的选择和相应压力的匹配会对切割性能有一定的影响,包括切割精度、切割速度和切割厚度。

气体种类

一般情况下,激光切割过程需要使用辅助气体,气体的选择必须根据不同的材料来确定。激光切割中常用的辅助气体有氧气、氮气、空气等,其作用和作用如下:

1、氧、

主要用于激光切割机切割碳钢。当利用氧反应热来提高切割效率时,产生的氧化膜会提高反射材料的光谱吸收系数。切口端面黑色或暗黄色。

主要用于压延钢、溶解结构压延钢、机械结构碳钢、高张力板、工具板、不锈钢、电镀钢板、铜、铜合金等。

2、氮

有些金属在切割时氧气会在切割表面形成氧化膜,使用氮气可以防止氧化膜不氧化切割。无氧化切割表面可直接焊接、涂抹、耐腐蚀性强等。切口的端面为白色。

主要适用于板材不锈钢、电镀板、黄铜、铝、铝合金等。

3、空气、

空气可由空压机直接供气,所以与其他气体相比非常便宜。虽然空气中含有20%左右的氧气,但切割效率远低于氧气,切割能力与氮气相似。切割表面会出现微量的氧化膜,但它可以作为防止涂层脱落的一种措施。切口的端面为黄色。

主要材料有铝、铝合金、不锈钢、黄铜、电镀钢板、非金属等。

4、氩气

氩是一种惰性气体,在激光切割机切割时用于防止氧化和氮化,也用于焊接。与其他加工气体相比,粳米的价格相应地增加了成本。切口的端面为白色。

主要适用材料有钛、钛合金等。

辅助气体及配置

压力高低

一般使用氧气切割普通碳钢,低压钻孔,高压切割;采用空气切割非金属,低压和高压压力可调到相同;采用氮气切割不锈钢,低压氧气钻孔。

激光切割对于辅助气流的基本要求是:进入切口的气体流量要大,速度要高,以便有足够的动量将熔融的材料喷射出来。辅助气体纯度越高,切割质量越好。

压力也是保证辅助气体纯度的一个重要因素。如果辅助气的压力匹配不当,会影响切割效果。激光切割过程中,如果压力不够,工件切割表面会产生熔化污渍,粗糙度增加,切割速度不能提高,从而影响零件的切割效果;如果压力过大,气流过于猛烈,就会造成切割段的粗糙度增加,切割接头变宽,还会导致切割部分熔化,不能形成良好的切割质量。通常,随着切割板厚度的增加,辅助气的压力逐渐增大。

光纤激光切割工艺参数及规律

辅助气体压力对切割质量的影响

辅助气体及配置

喷嘴的选择

喷嘴的大小和类型对切割质量和穿孔质量有重要的影响,不仅可以防止熔化的污迹碎片弹起污染聚焦镜,还可以控制辅助气体扩散面积和大小。切割材料时,喷嘴过大或过小都会影响切割效果。切割时,要根据具体的板材材质、板材厚度来具体选择。下表和图分别展示了两组喷嘴不同类型的切割对。

光纤激光切割工艺参数及规律

光纤激光切割工艺参数及规律

简介:

一般来说,喷嘴孔径的大小随切割板厚度的增加而增大;小孔径喷嘴可提高切割精度,大孔径喷嘴有利于切割厚板;通常不锈钢、铝合金切割采用单喷嘴,碳钢、结构钢切割采用复合喷嘴。

切割材料特性

类型的材料

不同的材料对不同波长的光有不同的吸收。目前,大多数光纤激光器的输出波长为1.064微米,这一波段的激光非常有利于金属材料的吸收,因此光纤激光器在金属切割、焊接等加工领域都表现出了优越的能力,并得到了广泛的应用。

目前,通常采用光纤激光加工(切割)的金属材料主要有以下几种:

不锈钢:激光是切割不锈钢的一种非常有效的工具。在激光切割参数控制良好的条件下,切削刃热影响区小,切割速度快,效果好。

碳素钢板:激光切割碳素钢板是利用激光氧化熔化切割机构,其狭缝可控制在满意的宽度范围内,对碳素钢板的大切割厚度为20mm。

铝及合金:铝是一种高反射性材料,纯铝因其纯度高难以切割;铝合金因其成分不同,切削效果也不同。铝切割属于激光的熔融切割机制,辅助气体主要起到将熔融物从切割区域吹出的作用,通常可以获得较好的断面质量。

铜及合金:铜具有高反射率和良好的导热性。黄铜(铜合金)采用较高的激光功率和辅助气体,可进行薄板切割;紫铜(纯铜)由于其高反射率,很难被连续激光切割,脉冲激光可以切割更薄的板材。

钛与合金:纯钛能很好地耦合聚焦在激光束上的热能转化,激光切割辅助气体通常是氩气和氮气,防止与氧气反应产生过烧。

切割材料特性

材料的厚度

激光切割碳素钢板厚度可达20mm;厚度在6mm以下的不锈钢可进行激光切割;黄铜、铝合金板材可用氮气切割,厚板可用氧气切割。通常,激光功率越大所能切割的同一材料的厚度就相对越大;随着板材厚度的增加,高抗材的切割难度逐渐增大。下图为500W光纤激光器在切割不同厚度、不同材料时,厚度与切割速度的关系,对应的切割效果好。

光纤激光切割工艺参数及规律

分析:

由于光纤激光切割机对不同种类材料的吸收率不同,不同厚度材料的切割速度也不同。在激光功率的影响下,同一材料不同厚度的切割速度和切割效果也有显著差异。切割辅助气体在切割过程中也会对切割过程产生一定的影响。

以上就是雷霆自动化激光切割厂家为您带来的相关资讯,希望对您有所帮助。


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