激光切割工艺.docx

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激光切割工艺

激光切割工艺

切割工艺与下述因素有关

   激光模式

   激光功率

   焦点位置

   喷嘴高度

    喷嘴直径

   辅助气体

   辅助气体纯度

   辅助气体流量

    辅助气体压力

    切割速度

   板材材质

    板材表面质量（如生锈、异物等）

    与切割相关的各工艺参数如下图所示。

图1：

切割工艺参数

一、激光模式

   激光器的模式对切割影响很大，切割时要求到达钢板表面的模式较好。

这与激光器本身的模式和外光路镜片的质量有直接的关系。

   激光束横截面上光强的分布情况称为激光横模。

一般笼统地把横模当作激光模式。

用符号TEMmn表示各种横向模式。

TEM表示横向电磁波，m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数，称为模式序数。

下图示出了几种不同的激光束横模的光斑。

TEM00模又称基模，其光斑中任何一点光强都不为零。

若光斑在x方向上有一点光强为零，称为TEM10模；在y方向上有一点光强为零，称为TEM01模。

以此类推，模式序数m和n越大，光斑中光强为零的点的数目越多。

有不同横向模式的激光束称为多模。

图2：

模式光斑

   上图中，TEM00模，称为基模。

TEM*01模，是单环模，也叫准基模。

为了与TEM01区分，特地加上星号*。

TEM01模与TEM10模其实可视为相同的模式，因为X、Y轴原本就是人为划分的。

下面示出的是几种模式的立体图。

图3：

TEM00模式立体图

图4：

TEM20模式立体图            图5：

TEM23模式立体图

图6：

 多模

二、焦点位置

   焦点位置是一个关键参数，应正确调节焦点位置。

1.焦点位置与切割面的关系

焦点位置

示意图

特征

零焦距

焦点在工件表面

适用于5毫米以下薄碳钢等。

（切断面）

焦点在工件上表面，所以，切割光滑，下表面则不光滑。

负焦距

焦点在工件表面下

铝材、不锈钢等工件采用这种方式。

（切断面）

焦点在中央，偏下部因此平滑面范围较大，切幅比零焦距的切幅宽，切割气体流量较大，穿孔时间较零焦距为长。

正焦距

焦点在工件表面上

切割厚钢板时采用（一般使用氧气）。

厚钢板切断时，切断用氧气的氧化作用必须从上面到底面。

因厚板之故切幅要宽，这样的设定可得较宽的切幅。

切断面和瓦斯切断类似，可以说是用氧气吹断，因此断面较粗糙。

2.      焦点位置对切割断面的影响

表面1.5mm上

表面0.5mm上

表面2.5mm上

3.      焦点寻找

    焦点确定的方法和步骤：

1）取下喷嘴，Z轴下降，距板面2~3mm。

2）执行寻找焦点子程序1991。

      （CALL1991）

       速率倍率设为100%。

3）移动Y轴到划痕最细处。

4）计算焦点位置Zf

      焦点位置为Zf=Z+Y×0.5

      其中：

Z——当前Z轴坐标；Y——当前Y轴坐标。

5）装上喷嘴，将焦点微调调至刻度5。

6）手动切换到随动。

7）调节焦点，使Z轴坐标达到Zf的值，锁紧切割头。

      此时焦点位于板面。

三、喷嘴

   喷嘴形状、喷嘴孔径、喷嘴高度（喷嘴出口与工件表面之间的距离）等，均会影响切割的效果。

图7：

 喷嘴

1.  喷嘴的作用

（1）防止熔渍等杂物往上反弹，穿过喷嘴，污染聚焦镜片。

（2）控制气体扩散面积及大小，从而控制切割质量。

图8：

没有喷嘴时，气体喷出的情况

图9：

有喷嘴时，气体喷出的情况

2.  喷嘴与切割品质的关系

   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。

   故喷嘴应小心保存，避免碰伤以免造成变形。

喷嘴形状和尺寸的制造精度高，安装时应注意方法正确。

   如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。

   如果喷嘴与激光不同轴，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10：

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，时间不易控制，对厚板会造成过熔，且穿透条件不易掌握。

对薄板影响较小。

3.  喷嘴孔与激光束同轴度的调整

   喷嘴孔与激光束的同轴度的调整步骤如下：

（1）在喷嘴的出口端面涂抹印泥（一般以红色为好），将不干胶带贴在喷嘴出口端面上。

如图所示。

图11：

调整同轴步骤1

（2）用10~20瓦的功率，手动打孔。

（3）取下不干胶纸，注意保持其方向，以便与喷嘴相比照。

正常情况下，不干胶纸上会留下一个黑点，是被激光烧损的。

但如果喷嘴中心偏离激光束中心过大时，将无法看到这个黑点（激光束射到了喷嘴的壁上）。

图12：

喷嘴偏离太大

（4）如果打出的中心点时大时小，请注意条件是否一致，聚焦镜是否松动。

`

图13：

 聚焦镜松动

（5）注意观察黑点偏离喷嘴中心的方向，调整喷嘴位置。

图14：

调整喷嘴位置，与激光束同轴

4.  喷嘴孔径

   孔径大小对切割质量和穿孔质量有关键性的影响。

   如果喷嘴孔径过大，切割时四处飞溅的熔化物，可能穿过喷嘴孔，从而溅污镜片。

孔径越大，几率越高，对聚焦镜保护就越差，镜片寿命也就越差。

   喷嘴孔径的比较

喷嘴孔径

气体流速（量）

熔融物去除能力

小

快

大

大

慢

小

   喷嘴φ1、φ1.5的差异

喷嘴直径

薄板（3mm以下）

厚板（3mm以上）

切割功率较高，散热时间较长，切割时间亦较长

φ1

切割面较细

气体扩散面积小，不太稳定，基本可用

φ1.5

切割面会较粗，转角地方易有溶渍

气体扩散面积大，气体流速较慢，切割时较稳定

5.  喷嘴高度的调整

   喷嘴高度即喷嘴出口与工件表面之间的距离。

此高度设定范围在0.5mm～4.0mm之间，而切割时一般我们会设定在0.7mm～1.2mm，过低会导致喷嘴易碰撞到工件表面，过高会降低辅助气体的浓度和压力，造成切割质量下降。

打孔时此高度要比切割高度略高，高度设定在3.5mm～4mm,这样有效防止打孔时所产生的飞溅物污染聚焦镜。

图15：

喷嘴高度

图16：

电容传感器控制盒

   调节EG495调节盒上带刻度电位器，其刻度基本上代表喷嘴与板面之间的距离（0.5到10mm）。

比如，刻度为1.5，喷嘴与板面之间的距离为1.6mm左右。

    随动传感器

    随动传感器的调整，务必按照要领进行。

四、切割速度

   切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。

不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80％。

1. 速度过快

   如果切割速度过快，可能造成以下后果。

1） 可能无法切透，火花乱喷。

2） 有些区域可以切透，但有些区域无法切透。

3） 整个断面较粗，但不产生溶渍。

4） 切割断面呈斜条纹路，且下半部产生溶渍。

图17：

速度过快

2. 速度太慢

1） 造成过熔，切断面较粗糙。

2）切缝变宽，尖角部位整个溶化。

3）影响切割效率。

3. 确定适当的切割速度

   从切割火花判断进给速度可否增快或减慢

1）火花由上往下扩散

图18：

切割速度正常

2）火花若倾斜时，则说明切割速度太快。

图19：

切割速度过快

3）火花呈现不扩散且少，聚集在一起，则说明速度太慢。

图20：

切割速度过慢

    进给速度适当

   如图，切割面呈现较平稳线条，且下半部无熔渍产生。

图21：

切割速度正常

五、切割辅助气体

   选择切割辅助气体的种类和压力时，宜从以下几方面考虑：

   一般使用氧气切割普通碳钢，低压打孔，高压切割。

    一般使用空气切割非金属，低压和高压的压力可调为一样，打孔时间设为0。

   一般使用氮气切割不锈钢等，低压氧气打孔。

   气体纯度越高，切割质量越好。

切割低碳钢板纯度至少99.6%以上，切割12mm以上碳钢板建议氧气纯度99.9%以上。

切割不锈钢板氮气纯度应达到99.6%以上。

氮气纯度越高，切割断面质量越好。

如果切割用气体纯度不合要求，不但影响切割的质量，而且会造成镜片的污染。

1、辅助气体对切割质量的影响

（1）气体有助于散热及助燃，吹掉溶渍，改善切割面品质。

（2）气体压力不足时，对切割的影响

a．切割面产生熔渍。

b．切割速度无法增快，影响效率。

（3）气体压力过高时，对切割质量的影响

a．气流过大时，切割面较粗，且缝较宽。

b．气流过大时，造成切断部分熔化，无法形成良好切割质量。

2、辅助气体对穿孔的影响

（1）气体压力过低时，不易穿透，时间增长。

（2）气体压力太高时，造成穿透点熔化，形成大的熔化点。

所以薄板穿孔的压力较高，厚板则较低。

3、切割有机玻璃时的辅助气体

   有机玻璃属于易燃物，为了得到透明光亮的切割面，所以选用氮气或空气，阻燃。

如果选用氧气，则切割质量不够好。

   必须在切割时根据实际情况进行选择合适的压力。

气体压力越小，切割光亮度越高，产生的毛断面越窄。

但气体压力过低，造成切割速度慢，板面下出现火苗，影响下表面质量。

六、激光功率

   激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。

汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。

激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。

一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。

激光功率对切割过程和质量有决定性的影响。

1．功率太小无法切割

图21：

功率太小

2．功率过大，整个切割面熔化

图22：

功率过大

3．功率不足，切割后产生熔渍

图23：

功率不足

4．功率适当，切割面良好，无熔渍

图24：

功率适当