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激光切割
用光纤激光器切割厚型钢
材料来源:ILS           录入时间:2011-1-12 21:24:26

在材料加工领域按照市场份额来算的话,金属加工是激光器最重要的应用范围。钣金切割要求高输出功率和高光束质量的完美结合,特别是在厚截面金属切割的时候;因此,只有少数激光器适合用于厚截面的金属切割,因为激光光束质量通常会随着输出功率的增加而衰减。在钣金切割方面占据主导地位的激光产品是CO2激光器,因为它具有高功率的单元和高光束质量。而光纤激光器可望在加工过程优化方面超过CO2激光器,一个最主要的原因就是,相比CO2激光器产生的长波长,光纤激光器发出的短波长更容易被金属表面吸收。

惰性辅助气体——通常是氮气——优先考虑用于激光切割不锈钢,在此,激光束提供所有需要的能量,也能获得清洁的未氧化的切割边缘。激光切割软钢通常是利用气体喷射反应协助提供氧气或压缩空气完成。氧气与融化的金属结合产生热量,这些化学反应释放出大量的能量,对整个切割过程来说可以作为一个额外的能量来源。从释放热量的化学反应中所获得的额外能量促使切割以更快的速度进行。这种切割方式会产生含有氧化层的切割面,需要在进一步加工作业前去除氧化层,如通过喷涂来去掉,因为氧化层具有随时间推移而剥落的倾向。

图1             图2 

 

图3             表1

切割速度

光纤激光器切割在切割薄型金属的时候,相比CO2激光器有明显的速度优势,如图1所示。从图2和图3中可以看出,在所标明的切割速度下,光纤激光器切割比CO2激光器所需要的功率要低,说明工件材料所吸收的光纤激光器光束更多,从而提高光纤激光器光束的融化速度。表1中呈现的是图2和图3光纤激光系统应用中的规格。光纤激光器的速度优势在切割厚型金属的时候并不明显。对于较大的工件厚度(大于4毫米),光纤激光器切割速度下降到一个相当于CO2激光器切割速度的水平。从本质上讲,光纤激光器切割大型厚工件的速度大幅下降,主要归因于光纤激光器辐射的吸收机制。金属部件对光纤激光器辐射的吸收性在其厚度较小的时候达到最高值,随之变厚时而下降;相反CO2激光器的辐射吸收性随着加工金属部件的厚度增加而增强,在加工部件厚度达到最高的时候吸收性也随之达到最高值。

图4

切割质量

图4显示了使用类似加工参数的光纤激光器和CO2激光器在加工10毫米厚的不锈钢中获得的典型切割边缘质量。与光纤激光器相比,CO2激光器可获得更卓越的切割边缘质量。利用高光度的光纤激光器在高速切割厚型钢材时产生的狭窄切缝实现有效的熔融喷射是有难度的,结果造成切割边缘质量的下降。

通过惰性气体切割不锈钢的切割边缘质量,很大程度上取决于切缝的大小和切缝中的辅助气体质量流量。因此,切缝宽度大,辅助气体压力高,喷嘴直径大是确保高熔体去除率和高切割边缘质量的加工条件。根据加工部件的厚度适当调整焦点位置,以便获得较大的切缝,这样能产生高效的熔融喷射。焦点位置根据加工部件的表面情况而定,焦点在加工部件的表面上方定义为正,反之在加工部件表面的下方,定义为负。在切割厚型不锈钢的时候,通过将焦点位置安排在离加工部件底部表面最近的地方而获得高的切割边缘质量。

图5

在用氧气作为辅助气体切割厚型软钢的时候,切割边缘的质量高度取决于放热氧化反应速率,而这受到辅助气体压力和喷嘴直径的影响而定。放热氧化反应的功率随着加工部件厚度的增加而增加,因为在厚型金属切割的时候会产生大量的金属熔液。此外,适用于厚型金属切割的较慢速度提高了氧化反应率,造成在切割边缘留下深槽。氧气辅助的喷射压力和喷嘴直径根据加工部件的厚度来调节,以便能有效控制氧化反应速率,确保得到好的切割边缘质量。图5显示的是光纤激光器和CO2激光器加工15毫米软钢所获得的典型切割边缘质量。

表2

图6

表2给出了利用光纤激光器切割10毫米厚不锈钢和15毫米厚软钢要达到最佳的切割质量所需要的加工参数(见图6)。为了获得最好的切缝质量,所需的最佳切割速度要比能实现的所给出的输出激光功率慢,因为所用的切割速度对切缝下端的残渣累积会产生影响。累积残渣产生于切割速度大于最佳的预防残渣累积切削速度的时候。

结论

随着高亮度激光光源的发展,熔融去除率现在似乎是限制切割最大厚度的主要因素,而不是受制于现有的激光束强度。加工参数提高了熔融流动性,从而获得更高的切割质量和切割速度。在切割厚型金属时的加工参数通过惰性气体射流协助影响熔融去除效率,包括:焦点位置,辅助气体压力和喷嘴直径。奥尔森等人也尝试采用高亮度、短波长的激光器,利用其中的多光束模式用于控制切缝中的熔体流动,以提高金属切割质量。


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