激光切割质量控制之欧阳生创编.docx
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激光切割质量控制之欧阳生创编
时间：
2021.02.08
创作人：
欧阳生
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，喷嘴内喷出切割帮助气体，其轴心与光路相同。
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，它既包含庞杂的微观量子过程，也包含激光作用于各种介质资料所产生的宏观现象。
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分，光束作用于资料概略时的组织效应等。
因此，影响激光切割质量的因素十分庞杂，除加工资料自己之外，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、帮助气体种类和压力等。
一、光束特性对切割质量的影响
激光切割的切口宽度同光束模式和聚焦后光斑直径有较年夜关系。
由于激光照射的功率密度和能量密度都与激光光斑直径有关，为了获得较年夜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。
而光斑直径的年夜小主要取决于振荡器输出的激光束直径及其发散角的年夜小，同时与聚焦透镜的焦距有关。
对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ƒ、发散角θ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ƒ有利于缩小光斑直径，但ƒ减小，焦深缩短，对切割较厚板材，就晦气于获得上部和下部等宽的切口，影响割缝质量；同时，ƒ减小，透镜与工件的间距也缩小，切割时熔渣会飞溅黏附在透镜概略，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，但其焦深年夜，可用来切割厚断面资料。
焦长短，聚焦光斑小；焦长长，聚焦光斑也年夜，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，光斑内能量呈高斯散布。
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，并形成尖的高能量密度。
激光模式示意如图33。
而高阶或多模光束的能量散布较扩张，经聚焦的光斑较年夜而能量密度较低，用它来切割资料如同拿一把钝刀来进行切割。
图2光束能量散布模式
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年夜，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％，而其产生的粗糙度Rz则要低10μm。
在最佳切割参数时，切割面的粗糙度Rz只有0.8μm。
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
激光功率的年夜小直接影响所能切割钢板的厚度，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（3×106W/cm2左右）后，粗糙度Rz值不再减少。
激光功率越年夜，所能切割的资料厚度也越厚；但相同功率的激光，因资料不合，所能切割的厚度也不合。
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年夜厚度。
表1激光功率与金属最年夜切割厚度
CO2激光功率/W
最年夜切割厚度/mm
碳素钢
不锈钢
铝合金
铜
黄铜
1500
12
9
3
1
2
1500
12
6
3
4
3000
22
12
5
5
4000
25
14
10
5
8
对连续波输出的激光器来说，激光功率年夜小和模式城市对切割质量产生重要影响。
实际操纵时，经常设置最年夜功率，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年夜越好，但考虑激光器自己本钱问题，激光器输出功率只有尽可能达切割机自己的最年夜值。
下图示出当激光功率缺乏时，切割低碳钢板产生的问题（未切透a、下部产生年夜量沾渣b及粗糙的断面c等）。
（a）（b）
（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年夜影响，最佳的切割速度使切割面呈较平稳线条，光滑且下部无熔渣产生。
若切割速度过快，会招致钢板无法切透，引起火花飞溅，下半部产生熔渣，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，热影响区增年夜，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，便在钢板下概略形成沾渣。
产生如图3所示的切割缺陷。
切割面光洁下概略沾渣
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出功率变更的情况相同。
一般情况下，调整加工条件时，若以修改输入热量为目的，不会同时修改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。
四、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（喷嘴出口与工件概略之间的距离）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，影响越年夜。
当喷嘴产生变形或有熔渍时，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，避免碰伤以免造成变形。
如果由于喷嘴的状况不良，从而需要要修改切割时的各项条件，那就不如更换新的喷嘴。
如果喷嘴与激光不合轴，将对切割质量产生如下影响。
a．对切割断面的影响
如图所示，当帮助气体从喷嘴吹出时，气量不均匀，呈现一边有熔渍，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，容易产生过熔现象，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略的距离，以被加工资料概略为基准，工件概略以上为正，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。
焦点位置不合，被加工物概略的光束直径及焦点深度即不合，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/πd2（d为焦点光斑直径）成正比，所以d应尽可能的小，以便产生窄的切缝。
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5″～7.5″（127～190mm）的焦距，实际焦点光斑直径在0.1～0.4mm之间。
因此控制焦点位置十分重要。
考虑到切割质量、切割速度等因素，原则上厚度<6mm的金属资料，焦点位置在概略；厚度>6mm的碳钢，焦点位置在概略之上；在切割不锈钢板时，焦点位置一般取在概略以下。
通常切割厚度为4mm以下资料时，选用5″聚焦镜。
遨游翱翔光路切割机切割近端和远端时光程长短不合，聚焦前的光束尺寸有一定不同。
入射光束的直径越年夜，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，可装置光路赔偿系统，以坚持近端和远真个光程不变。
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：
（2）
其中：
D——聚焦前光束直径；K——光束质量因子
另外，引起焦点位置对切割质量影响的另一个因素是聚焦深度，其计算公式为：
（3）
由以上阐发知，在不呈现沾渣的情况下，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，而切割沿邻近的资料并未熔化，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，招致资料不克不及完全熔化被帮助气体吹走，以致未完全熔化的资料附着在切割板材下概略，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年夜，招致所切割下的资料与切割沿邻近的资料融化，并呈液体流动状，这时由于帮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略，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年夜
图10不合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略或概略以下。
这正是因为扩年夜切割沟上部宽度，提高气体及熔融物的流动性，并使平滑面规模扩年夜，提高切割质量。
在切割过程中，对不合厚度的钢板，焦点位置并没有一个确定的值，当焦点位置取在钢板概略或概略以上时，由于钢板下部平均功率密度小，能量缺乏，易在下概略产生沾渣。
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，使平滑面规模扩年夜。
具体数值通过实验确定。
六、帮助气体（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帮助气体，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，帮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、氮气和空气，不合切割资料要求不合帮助气体种类。
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；氧气作为帮助气体还可以使金属燃烧，利用其氧化反响热进行高效率的切割，但同时会在切割面上产生氧化膜；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。
帮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）而不合。
帮助气体压力年夜小影响受粘渣附着、切割面质量、热影响区域年夜小等。
加工时喷嘴出口气压条件如下表所示：
表2各切割工艺与帮助气体压力之间关系
开孔（MPa）
薄碳钢O2切割（MPa）
厚碳钢O2切割（MPa）
不锈钢N2切割（MPa）
铝材Air切割（MPa）
丙烯树脂净面切割（MPa）
0.020.05
0.10.3
0.050.1
0.61.5
0.61.0
<0.01
在确定帮助气体类型的前提下，气体压力年夜小是一个极为重要的因素，若帮助气体压力过高，会在工件概略形成涡流，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；若帮助气体压力过低，则吹不走切口处的熔融资料，在被切割资料背面产生沾渣。
因此，帮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，以防切口背面产生沾渣；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，帮助气体可以冷却切缝邻近区域，减少热影响区，避免燃烧物损坏透镜。
另外，使用氮气作为帮助气体，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，原因庞杂。
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 不合资料切割的缺陷及处理办法
碳钢：
用O2切割
缺陷
可能原因
解决办法
底部的牵引线有很年夜的偏移，底部的切口更宽
进给速率太高
激光功率太低
气压太低
焦点太高
减小进给速率
增加激光功率
加年夜气压
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
焦点太高
减小进给速率
加年夜气压
降低焦点
连在一起的金属毛刺可以作为一整块被除去
焦点太高
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
焦点太高
减小进给速率
加年夜气压
使用更纯的气体
降低焦点
只在一边上有毛刺
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
极化反射镜不合适，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
加工气体毛病（N2）
进给速率太高
功率太低
立即停止切割，以避免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
切割概略不精密
气压太高
喷嘴损坏了
喷嘴直径太年夜
资料欠好
减小气压
更换喷嘴
装置合适的喷嘴
使用概略平滑均匀的资料
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
产生弹坑
气压太高
进给速率太低
焦点太高
板材概略有锈
加工的工件过热
资料不纯
减小气压
增加进给速率
降低焦点
使用质量更好的资料
很是粗糙的切割概略
焦点太高
气压太高
进给速率太低
资料太热
降低焦点
减小气压
增加进给速率
冷却资料
不锈钢：
用高压N2切割
缺陷
可能原因
解决办法
产生点滴状的细小规则毛刺
焦点太低
进给速率太高
抬高焦点
减小进给速率
两边都产生长的不规则的细丝状毛刺，年夜板材的概略变色
进给速率太低
焦点太高
气压太低
资料太热
增加进给速率
降低焦点
加年夜气压
冷却资料
只在切割边沿的一边产生长的不规则的毛刺
喷嘴未对中
焦点太高
气压太低
速度太低
对中喷嘴
降低焦点
加年夜气压
提高速度
切割边沿发黄
氮气里含有氧气杂质
使用质量好的氮气
在直线截面上产生等离子体
进给速率太高
功率太低
焦点太低
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
抬高焦点
光束分离
进给速率太高
功率太低
焦点太低
减小进给速率
增加功率
抬高焦点
拐角处产生等离子体
角度公差太高
调制太高
加速度太高
减小角度公差
减小调制或加速度
光束在开始处发散
加速度太高
焦点太低
熔化的资料未能排出
减小加速度
抬高焦点
穿圆孔
切口粗糙
喷嘴损坏了
透镜脏了
更换喷嘴
清洗透镜，如果需要就更换
资料从上面排出
功率太低
进给速率过年夜
气压太高
立即停止切割，以免溶渣飞溅到聚焦镜上
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
解决办法
两边都产生长的不规则的细丝状毛刺，很难除去
焦点太高
气压太低
进给速率太低
降低焦点
加年夜气压
增加进给速率
两边都产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
喷嘴直径太年夜
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
抬高焦点
减小进给速率
在直线截面上产生等离子体
进给速率太高
焦点太低
减小进给速率
抬高焦点
光束分离
进给速率太高
减小进给速率
拐角处产生等离子体
角度公差太高
调制太高
加速度太高
减小角度公差
减小调制或加速度
光束在开始处发散
进场速度太高
焦点太低
减小进场速度
抬高焦点
切口粗糙
喷嘴损坏了
更换喷嘴
资料从上面排出
功率太低
进给速率过年夜
立即停止切割，以免溶渣飞溅到聚焦镜上
增加功率
减小进给速率
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
速度太快
焦点太低
功率太低
降低速度
增加功率
中心不合毛病
喷嘴内孔不流畅、不圆.
光路不正
检查中心
检查喷嘴状况
检查光路
焦点太低
提高焦点，每次0.10.2mm
氮气压力太低
增加氮气压力
焦点太高
降低焦点，每次0.10.2mm
切割速度太快
切割速度每次减少50200mm/min
焦点太低
焦点每次提高0.10.2mm
氮气不纯
气管中存在氧气或空气
检查氮气的纯度.
增加延时以清洁气管
检查气路（不漏）
2.碳钢
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
引入线长或引入方法不合毛病
线型不合毛病
穿孔时间太长
切割时的热量太多
更正引入方法和引入长度
检查线型
穿孔时间≤2秒
减少占空比，每次23%
压力太高
焦点太高
功率太高
资料欠好
减小压力，每次0.1bar
减小功率
检查透镜的焦点
功率低
速度高
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510%
增加功率，每次100W
逐步增加压力，每次0.10.2bar
局部热量太多
资料问题
修改切割顺序
更换资料
压力太高
速度太高
减少压力，每次0.10.2bar
降低速度
焦点太低
压力太低
提高焦点，每步0.10.2mm
增加压力，每步0.10.2bar
时间：
2021.02.08
创作人：
欧阳生
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