激光切割质量控制

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1、第七章激光切割质量控制 1 之老阳三干创作一、光束特性对切割质量的影响2二、激光功率对切割质量的影响3三、切割速度对切割质量的影响5四、喷嘴型式（孔径）和喷嘴高度对切割质量的影响51.喷嘴的作用62.喷嘴与切割质量的关系6五、焦点位置对切割质量的影响7六、辅助气体（种类和压力）对切割质量的影响9附录1分歧资料切割的缺陷及处理方法 10附录2有切割缺陷实物照片 15激光切割质量控制激光切割的过程是资料吸收光能并转化为热能，并使资料熔化、汽化的过程。1）激光器输出高能量密度的激光束。2）光束通过聚焦镜，被聚焦，能量高度集中。3）聚焦后的光束从喷嘴中心通过，喷嘴内喷出切割辅助气体，其轴心 与光路相同

2、。4）在激光束和切割气体的共同作用下，切割资料迅速加热、氧化与蒸 发，达到切割目的。激光切割的基来源根基理是激光与物质的相互作用，它既包含复杂的微观量子过程，也包含激光作用于各种介质资料所发生的宏观现象。而这 些宏观现象包含资料对激光的吸收、反射、折射，能量转换和传递，资料 状态及周围气体成份，光束作用于资料概况时的组织效应等。因此，影响激光切割质量的因素十分复杂，除了加工资料自己之外， 主要是光束特性、激光功率、切割速度、喷嘴型式（孔径）和喷嘴高度、 焦点位置、辅助气体种类和压力等。一、光束特性对切割质量的影响0.03D 3f 2激光切割的切口宽度同光束模式和聚焦后光斑直径有较大关系。由于

3、激光照射的功率密度和能量密度都与激光光斑直径有关，为了获得较大的 功率密度和能量客度，在激光切割加工中，光斑直径要求尽可能小。而光 斑直径的大小主要取决于振荡器输出的激光束直径及其发散角的大小，同 时与聚焦透镜的焦距有关。对于一般激光切割中应用较广的ZnSe平凸聚焦 透镜，其光斑直径d与焦距/、发散角0及入射激光束直径D之间的关系 可按下式进行计算：7.1)由上式，若激光束自己的发散角较小，光斑的直径也会变小，就能获 得好的切割效果。减小透镜焦距/有利于缩小光斑直径，但/减小，焦深缩短，对于切割较厚板材，就晦气于获得上部和下部等宽的切口，影响割 缝质量；同时，/减小，透镜与工件的间距也缩小，切

4、割时熔渣会飞溅黏 附在透镜概况，影响切割的正常进行和透镜的实验寿命。透镜焦长小，光 束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于薄板高速切割，只需包 管坚持透镜和工件间距恒定。长焦透镜的聚焦光斑功率密较低，但其焦深 大，可用来切割厚断面资料。焦长短，聚焦光斑小；焦长长，聚焦光斑也 大，焦深变更也如此。当透镜焦长增加，使聚焦光斑尺寸增加1 倍，即从 Y 到 2Y 时，焦深可随之增加到 4 倍，即从 X 到 4X。图 1 聚焦镜的聚焦作用光束模式与它的聚焦能力有关，与机械刀具的刃口尖锐度有点相似。 最低阶模是TEM00，光斑内能量呈高斯分布。它几乎可把光束聚焦到理论 上最小的尺寸，如几个微米直径，

5、并形成尖的高能量密度。激光模式示意 如图 3-3。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能 量密度较低，用它来切割资料如同拿一把钝刀来进行切割。图 2 光束能量分布模式光束的模式越低，聚焦后的光斑尺寸越小，功率密度和能力密度越大， 切割性能也就越好。在低碳钢的切割场合，采取基模 TEM00 时的切割速度 比采取TEM01模式时高出10%,而其发生的粗糙度Rz则要低10m。在最 佳切割参数时，切割面的粗糙度Rz只有0.8m。因此，在金属资料的激 光切割中,为了获得较高的切割速度和较好的切割质量,一般使用 TEM00 模式的激光。二、激光功率对切割质量的影响激光功率的大小直接影响所能

6、切割钢板的厚度,能量越高,可切割资 料厚度就越厚。另外,它又影响着工件尺寸精度、切缝宽度、切割面的粗 糙度和热影响区的宽度等。在激光切割加工中，照射到工件上的激光功率密度P0 (W/cm2)和能量密度E0(J/cm2)对激光切割过程起着重要的影响。 随着激光功率密度的提高，粗糙度降低。当功率密度 P0 达到某一值 (3X106W/cm2左右)后，粗糙度Rz值不再减少。激光功率越大，所能切割的资料厚度也越厚；但相同功率的激光，因资料分歧，所能切割的厚度也分歧。表1给出了各种功率的CO2激光切割 某些金属资料的实验最大厚度。表1 激光功率与金属最大切割厚度C02激光功率/W最大切割厚度/mm碳素钢

7、不锈钢铝合金铜黄铜15001293121500126343000221255400025141058对连续波输出的激光器来说，激光功率大小和模式都会对切割质量发生重要影响。实际操纵时，经常设置最大功率，以获得最快切割速度，提高生产效率，或用以切割较厚的资料。理论上，我们要求激光器输出功率 越大越好，但考虑激光器自己成本问题，激光器输出功率只有尽可能达切 割机自己的最大值。下图示出当激光功率缺乏时，切割低碳钢板发生的问 题(未切透a、下部发生大量沾渣b及粗糙的断面c等)。(b)(a)(c)图 3 激光功率对低碳钢切割质量影响三、切割速度对切割质量的影响切割速度对不锈钢板切割质量有很大影响，最佳的

8、切割速度使切割面 呈较平稳线条，光滑且下部无熔渣发生。若切割速度过快，会导致钢板无 法切透，引起火花飞溅，下半部发生熔渣，甚至烧伤透镜，这是因为切割 速度过高，单位面积获得的能量减少，金属未能完全熔化；若切割速度过 慢，则容易造成资料过熔，切缝变宽，热影响区增大，甚至引起工件过烧 这是因为切割速度过低，能量在切缝处积累，引起切缝变宽，熔化金属不 克不及及时排出，便在钢板下概况形成沾渣。发生如图 3 所示的切割缺陷。切割面光洁下概况沾渣断面粗糙切不透图 4 切割速度对切割质量的影响切割速度和激光输出功率一起决定被加工件的输入热量。因此，由于 切割速度的增减而引起的输入热量变更和加工质量的关系与输

9、出功率变更 的情况相同。一般情况下，调整加工条件时，若以改变输入热量为目的， 不会同时改变输出功率和切割速度，只需固定其中一方，变更另一方来调 整加工质量即可。、喷嘴型式（孔径）和喷嘴高度对切割质量的影响喷嘴形状（孔径）、喷嘴高度（喷嘴出口与工件概况之间的距离）等， 均会影响切割的效果。1. 喷嘴的作用 控制气体扩散面积，从而控制切割质量。图 5 气体从喷嘴喷出的情况2. 喷嘴与切割质量的关系 喷嘴出口孔中心与激光束的同轴度是影响切割质量优劣的重要因素之 一，工件越厚，影响越大。当喷嘴发生变形或有熔渍时，将直接影响同轴度。 喷嘴形状和尺寸精度要求高，故喷嘴应小心保管，防止碰伤以免造成 变形。如

10、果由于喷嘴的状况不良，从而需要要改变切割时的各项条件，那就 不如更换新的喷嘴。如果喷嘴与激光分歧轴，将对切割质量发生如下影响。a. 对切割断面的影响 如图所示，当辅助气体从喷嘴吹出时，气量不均匀，出现一边有熔渍另一边没有的现象。对切割 3mm 以下薄板时，它的影响较小，切割 3mm 以 上时，影响较严重，有时无法切透。图 6 同轴度对切割断面的影响b. 对尖角的影响 工件有尖角或角度较小时，容易发生过熔现象，厚板则可能无法切割c. 对穿孔的影响穿孔不稳定，时间不容易控制，对厚板会造成过熔，且穿透条件不容 易掌握。对薄板影响较小。五、焦点位置对切割质量的影响 焦点位置是指焦点距工件上概况的距离，

11、以被加工资料概况为基准， 工件概况以上为正，以下为负。图7 焦点位置焦点位置直接影响切口宽度、坡度、切断面粗糙度及沾渣附着情况。 焦点位置分歧，被加工物概况的光束直径及焦点深度即分歧，进而引起加 工沟的形状变更，影响加工沟内的加工气体及熔融金属的流动。由于能量密度与4/nd2（d为焦点光斑直径）成正比，所以d应尽可 能的小，以便发生窄的切缝。同时d和透镜的焦深成正比，焦深越小，d 就越小。但切割有飞溅，透镜离工件太近容易被损坏，因此一般高功率激 光切割工业应用中广泛采取57.5（127190 mm）的焦距，实际焦 点光斑直径在0.10.4 mm之间。因此控制焦点位置十分重要。考虑到切 割质量、

12、切割速度等因素，原则上厚度6 mm的金属资料，焦点位置在概 况；厚度6 mm 的碳钢，焦点位置在概况之上；在切割不锈钢板时，焦点 位置一般取在概况以下。通常切割厚度为4 mm以下资料时，选用5聚焦 镜。飞行光路切割机切割近端和远端时光程长短分歧，聚焦前的光束尺寸 有一定不同。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小。为了减少因聚 焦前光束尺寸变更带来的焦点光斑尺寸的变更，可装置光路抵偿系统，以 坚持近端和远端的光程不变。激光束通过聚焦透镜，如图8所示。图8 光束通过透镜后形成的焦点光斑直径由下式计算：d 土丄 foe 兀 D K其中：D聚焦前光束直径；K光束质量因子3）此外，引起焦点位置对切割质

13、量影响的另一个因素是聚焦深度，其计算公 式为：F = 2Zdepray由以上分析知，在不出现沾渣的情况下，焦点位置越靠近钢板中部， 切割面越平滑。焦点位置的选取对不锈钢板切割质量有重要影响。当焦点位置合适时， 切割下的资料熔化，而切割沿附近的资料并未熔化，渣滓即被吹走，形成 无沾渣的切缝，如下图（a）所示；当焦点位置滞后时，切割资料下端单位 面积所吸收的能量减少，切割能量削弱，导致资料不克不及完全熔化被辅 助气体吹走，以致未完全熔化的资料附着在切割板材下概况，呈前端尖锐 且短小的沾渣，如下图（b）所示；当焦点位置超前时，切割资料下端单位 面积所吸收的平均能量增大，导致所切割下的资料与切割沿附近

14、的资料融 化，并呈液体流动状，这时由于辅助气压及切割速度不变，所熔化的资料 呈球状沾附在资料下概况，如下图（c）所示。故在切割过程中可以通过观 察沾渣形态来调节焦点位置，包管切割质量。（a）无沾渣 （b）尖锐且短小沾渣（c）球状沾渣图9焦点位置对沾渣的影响焦点位置合适焦点位置偏小焦点位置偏大图 10 分歧焦点位置对切割质量的影响在实际生产中，要求激光切割不锈钢板焦点选取在资料概况或概况以 下。这正是因为扩大切割沟上部宽度，提高气体及熔融物的流动性，并使 平滑面范围扩大，提高切割质量。在切割过程中，对分歧厚度的钢板，焦 点位置并没有一个确定的值，当焦点位置取在钢板概况或概况以上时，由 于钢板下部

15、平均功率密度小，能量缺乏，易在下概况发生沾渣。因此，激 光切割不锈钢板时，焦点位置应该选取在资料内部。以提高气体及熔融金 属的流动性，包管了下部有足够的能量密度，使平滑面范围扩大。具体数 值通过实验确定。六、辅助气体（种类和压力）对切割质量的影响 一般情况下，资料切割都需要使用辅助气体，主要涉及气体种类和压 力。气体种类、气压、喷嘴直径和几何结构影响边沿粗糙度和毛刺的生成， 气体消耗取决于喷嘴直径和气压，切割气压在0.5MPa以下为低气压，2MPa 以上为高压。通常，辅助气体与激光束同轴喷出，可以呵护聚焦透镜不被 污染的同时，又可吹走切割区底部熔渣。在一般切割中使用的气体种类有 氧气、氮气和空

16、气，分歧切割资料要求分歧辅助气体种类。氧气主要用于 开孔、碳钢和不锈钢板的高速切割、高反射资料的氧化切割；氧气作为辅 助气体还可以使金属燃烧，利用其氧化反应热进行高效率的切割，但同时 会在切割面上发生氧化膜；氮气主要用于不锈钢板的无氧化切割、镀锌板 的无沾渣切割；空气主要用于铝和镀锌钢板的无沾渣切割、普通非金属切 割。辅助气体压力随使用气体的种类，切割资料材质，板厚及激光输出形态(CW/脉冲)而分歧。辅助气体压力大小影响受粘渣附着、切割面质量、热影响区域大小等。加工时喷嘴出口气压条件如下表所示：表 2 各切割工艺与辅助气体压力之间关系开孔(MPa)薄碳钢02切割(MPa)厚碳钢02切割(MPa

17、)不锈钢N2切割(MPa)铝材Air切割(MPa)丙烯树脂净面切割(MPa)0.020.050.10.30.050.10.61.50.61.00.01在确定辅助气体类型的前提下，气体压力大小是一个极为重要的因素， 若辅助气体压力过高，会在工件概况形成涡流，削弱气流去除熔融资料的 能力，造成切割面较粗糙，切缝较宽；若辅助气体压力过低，则吹不走切 口处的熔融资料，在被切割资料反面发生沾渣。因此，辅助气体压力存在 一个最佳值。当高速切割薄型资料时，需要较高的气体压力，以防切口反 面发生沾渣；当资料厚度增加，或切割速度较慢时，则气体压力宜适当降 低。以不锈钢板激光切割为例，在其切割过程中，辅助气体可以

18、冷却切缝 邻近区域，减少热影响区，防止燃烧物损坏透镜。另外，使用氮气作为辅 助气体，它可以使熔融金属具有良好的流动性。在实际加工中，因工艺参数不当而引起加工缺陷，原因复杂。根据几 十年的激光切割工艺经验，总结出切割缺陷的应对之策，以指导实际生产， 很有意义。详见附录。附录 1 分歧资料切割的缺陷及处理方法碳钢：用O2切割缺陷可能原因解决法子底部的牵引线有很大的偏移，底部的切口进给速率太高减小进给速率更宽激光功率太低增加激光功率气压太低加大气压焦点太咼降低焦点底面上的毛刺类似熔渣，成点滴状并容易 除去进给速率太高 气压太低 焦点太咼减小进给速率 加大气压 降低焦点连在一起的金属毛刺可以作为一整块

19、被 除去焦点太咼降低焦点底面上的金属毛刺很难除去进给速率太高 气压太低 气体不纯 焦点太咼减小进给速率加大气压使用更纯的气体 降低焦点喷嘴未对中 喷嘴口有缺陷对中喷嘴换喷嘴资料从上面排出功率太低 进给速率太高立即停止切割，以免溶渣飞溅 到聚焦镜上。然后增加功率， 减小进给速率倾斜面切割 两面好，两面差极化反射镜分歧适，装置不正确或有缺陷极化反射镜装置在了偏转镜的 位置检查极化反射镜 检查偏转镜蓝色等离子体，工件未切透加工气体错误（N2） 进给速率太高 功率太低立即停止切割，以防止溶渣飞 溅到聚焦镜上。改用O2作为加工气体 减小进给速率 增加功率切割概况不精密减小气压更换喷嘴装置合适的喷嘴使用概

20、况平滑均匀的资料气压太高 喷嘴损坏了 喷嘴直径太大 资料欠好无毛刺，牵引线倾斜 切口在底部变得更狭窄进给速率太高减小进给速率发生弹坑减小气压增加进给速率降低焦点使用质量更好的资料气压太高 进给速率太低焦点太咼板材概况有锈 加工的工件过热 资料不纯降低焦点 减小气压 增加进给速率 冷却资料非常粗糙的切割概况焦点太高气压太高 进给速率太低 资料太热不锈钢：用高压N2切割缺陷可能原因解决法子发生点滴状的细小规则毛刺焦点太低 进给速率太高抬咼焦点 减小进给速率两边都发生长的不规则的细丝状毛刺, 大板材的概况变色进给速率太低 焦点太咼 气压太低 资料太热增加进给速率 降低焦点 加大气压 冷却资料只在切割

21、边沿的一边发生长的不规则的 毛刺切割边沿发黄光束在开始处发散切口粗糙资料从上面排出喷嘴未对中 焦点太咼 气压太低 速度太低对中喷嘴 降低焦点 加大气压 提高速度氮气里含有氧气杂质进给速率太高 功率太低 焦点太低进给速率太高功率太低 焦点太低角度公差太高调制太咼加速度太高 加速度太高 焦点太低 熔化的资料未能排出 喷嘴损坏了透镜脏了 功率太低进给速率过大使用质量好的氮气立即停止切割，以免溶渣飞 溅到聚焦镜上减小进给速率 增加功率 抬咼焦点减小进给速率增加功率抬咼焦点减小角度公差 减小调制或加速度减小加速度 抬咼焦点 穿圆孔 更换喷嘴 清洗透镜，如果需要就更换 立即停止切割，以免溶渣飞 溅到聚焦镜

22、上/气压太高增加功率减小进给速率减小气压合金：用高压N2切割缺陷可能原因解决法子两边都发生长的不规则的细丝状毛刺，很降低焦点 加大气压 增加进给速率两边都发生长的不规则的毛刺，可手工除 去进给速率太低增加进给速率切口粗糙喷嘴直径太大 喷嘴损坏了 气压太高装置合适的喷嘴 更换喷嘴减小气压细小规则的毛刺，很难除去焦点太低 进给速率太高抬咼焦点 减小进给速率在直线截面上发生等离子体进给速率太高 焦点太低光束分散拐角处发生等离子体光束在开始处发散切口粗糙进给速率太高 角度公差太高 调制太咼 加速度太高进场速度太高 焦点太低 喷嘴损坏了减小进给速率 抬咼焦点减小进给速率减小角度公差 减小调制或加速度减小

23、进场速度 抬咼焦点 更换喷嘴附录2有切割缺陷实物照片 1不锈钢切割缺陷缺陷可能的原因排除降低速度 增加功率检查中心 检查喷嘴状况 检查光路速度太快 焦点太低 功率太低中心分歧错误喷嘴内孔不流畅、不圆. 光路不正焦点太低提高焦点，每次0.1-0.2 mm增加氮气压力焦点太咼降低焦点，每次0.1-0.2 mm切割速度太快切割速度每次减少50-200mm/min2.碳钢焦点太低氮气不纯气管中存在氧气或空气焦点每次提高0.1-0.2 mm检查氮气的纯度. 增加延时以清洁气管 检查气路（不漏）缺陷可能的原因排除透镜中心不正 喷嘴孔堵或不圆 光路不正检查透镜中心 检查喷嘴状态 检查光路，重新打靶改正引入方式和引入长度 检查线型穿孔时间W2秒减少占空比，每次2-3%引入线长或引入方式分歧错误 线型分歧错误穿孔时间太长切割时的热量太多压力太咼 焦点太咼 功率太高 资料欠好减小压力，每次0.1 bar减小功率检查透镜的焦点功率低 速度咼 压力低增加功率 降低速度 增加压力速度太高 功率低压力太低减少速度增加占空比，每次5-10% 增加功率，每次100W 逐步增加压力，每次0.1-0.2bar局部热量太多资料问题改变切割顺序 更换资料压力太咼速度太高焦点太低 压力太低减少压力，每次0.1-0.2bar 降低速度提高焦点，每步0.1-0.2 mm 增加压力，每步0.1-0.2 bar