环形激光光斑优化金属激光切割工艺

日期: 2019-12-12
浏览次数: 468
SHARE:

环形光斑光纤激光器优化金属激光切割工艺:不锈钢薄板切割效率更高,碳钢厚板切割质量更佳。环形光斑的光纤激光器会成为越来越多激光切割机厂家和终端用户的最佳选择。

作者:王锦军 上海飞博激光科技有限公司


光纤激光器由于光电转换率高,运行和维护成本低,易于集成等优势,从2010年开始在激光切割应用中逐渐取代了YAG棒状激光器和CO2气体激光器。2015年,全球范围内材料加工领域中的光纤激光器订单额首次超过了CO2激光器,成为一个里程碑事件。此后,光纤激光器在切割中替代CO2激光器的进程更加迅速。随着500W~6000W国产光纤激光器的成熟,光纤激光器已经成为目前国内工业激光切割机的主流激光器。

激光切割金属过程

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射金属材料,被照射的金属材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,再借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而将工件割开。但是,在激光切割板厚度较大时,如5mm以上,割缝前沿和侧边会发生多次反射,且由于割缝底部的倾角增加,底部反射点处对激光的吸收也增加,容易造成割缝前沿中下部局部过热。

环形激光光斑优化金属激光切割工艺    环形激光光斑优化金属激光切割工艺

图1 激光切割时的割缝                                                                               图2 激光切割厚板时割缝前沿和侧面激光多次反射

以厚板碳钢的切割断面为例,切割断面可以分为三个区域:

» 最上层:光束直接穿透区域,表现为精细且垂直的条纹;

» 中间层:搁架状区,大部分光束在该区域被材料吸收;

» 最下层:冲刷区,过热的熔融物从此区域流出切缝,并带走较多的熔化材料

环形激光光斑优化金属激光切割工艺

图3   3000W切割22mm碳钢较好的切割断面

由于激光在割缝中间层发生多次反射造成局部过热,最终会导致切割断面粗糙,甚至出现类似弹孔的缺陷。对于碳钢切割,缺陷一般会在中间层产生。

环形激光光斑优化金属激光切割工艺

图4 3000W切割22mm碳钢较差的切割断面

焦平面光斑能量分布类型


环形激光光斑优化金属激光切割工艺   环形激光光斑优化金属激光切割工艺   环形激光光斑优化金属激光切割工艺

图5 从左至右分别为焦平面上高斯光斑、平顶光斑和环形光斑的激光能量分布示意图

激光器的切割能力和激光能量分布紧密相关。常见的激光能量分布形式有高斯,平顶,以及最新的环形。图5中光斑区域能量密度从高到低依次是:红色,黄色,绿色,蓝色。经过实际的切割验证,其切割能力特点如下:

环形激光光斑优化金属激光切割工艺

表1 不同类型光斑的光纤激光器切割能力对比

环形能量分布光斑对激光切割能力的优化

对于切割版平顶光斑的3000W激光器而言,采用50μm光纤芯径可以提升薄板的切割速度;但为了提升厚板切割能力,又需要增大光纤芯径。目前市场上的3000W激光器通常采用100μm光纤芯径,而采用此类型的光纤芯径会降低薄板的切割速度。如何同时兼顾薄板和厚板的不同切割需求?这对激光器而言是一道技术难关。

环形光斑中心能量密度较低,可减少弹孔状切割缺陷,提升厚板切割能力(包括切割速度和切割质量)。同时,在此基础上采用50μm的光纤芯径,可提高对薄板的切割能力。因此,通过优化激光能量分布,可大幅度提升对金属薄板和厚板的切割能力。

薄板不锈钢切割效率更高

激光切割不锈钢时通常采用氮气辅助的熔化切割工艺。在激光熔化切割薄板金属的过程中,金属材料吸收激光能量后转化成热能,从而被熔化,并向切缝周边传导小部分热量。从热平衡理论计算,忽略损失的传导热量,熔化切割具有如下的经验公式:

P=K*(t*v*ω)

其中,P代表材料吸收的激光功率;K是一个由板材决定的固定数值;t代表板材厚度,v代表切割速度,ω代表切缝宽度。从中可以看出,在吸收的激光功率一定的情况下,切缝宽度ω越小,切割速度越快。采用高光束质量激光切割薄板时,切缝宽度ω可以达到极小值,因此在吸收相同激光能量的情况下,高光束质量的环形光斑激光器可以实现更高效切割。采用50μm细芯径的光纤,可获得更小的汇聚光斑,实现极高的光功率密度,相比于普通的100μm芯径的平顶光斑激光器,相同功率下环形光斑激光器可以大幅提升薄板切割速度。表1对比了环形光斑和平顶光斑3000W激光切割304不锈钢薄板的速度。可以看出,相较于普通平顶光斑3000W激光器,环形光斑3000W激光器切割1mm不锈钢板速度提升约50%;切割2mm不锈钢板速度提升约60%。

环形激光光斑优化金属激光切割工艺

表2 环形光斑和平顶光斑3000W激光切割304不锈钢薄板速度对比

厚板碳钢切割质量更好

碳钢厚板切割一直是光纤激光器在切割上的应用难点。影响碳钢切割的因素比较多,除了如气体纯度、切割头准直聚焦特性、喷嘴类型等,激光束焦平面光斑的能量分布也有重要影响。对光斑能量分布进行优化后,20mm及以上厚度的碳钢板的切割断面质量有了较大的提升。

环形激光光斑优化金属激光切割工艺

图6 平顶光斑3000W和环形光斑3000W切割断面对比

环形光斑3000W激光器切割碳钢厚板时,不仅切割断面质量更佳,切割速度也有提升。

环形激光光斑优化金属激光切割工艺

表3 环形光斑和平顶光斑3000W激光切割Q235碳钢中厚板速度对比

结论

目前光纤激光器已经成为激光切割设备的首要选择。环形光斑显著提升了3000W光纤激光器的切割能力,其不仅提高了薄板的切割速度,厚板的切割断面质量也获得了大幅提高,而这两方面对提高激光切割机终端用户的生产效率和利润率大有裨益。可以预计,环形光斑光纤激光器会成为越来越多激光切割机厂家和终端用户的最佳选择。


RELATED NEWS RECOMMEND 推荐新闻 More
2020 - 11 - 25
点击次数: 78
小雪节气过后,天气愈发寒冷,低温、大风天较多,尤其是北方地区,今年更是早早迎来降温和雨雪。在冬日极低的温度条件下,激光器的防冻维护更要上心:当环境温度降至冰点以下时,激光器中的冷却液会由液态变为固态,体积也会增大并可能涨破水管。而一旦内部器件被涨裂,激光器则可能面临返厂维修的窘境,给用户带来较大的经济损失。                             要如何做才能防止激光器出现上述问题呢?别着急,飞博激光教你防治办法!方法一:保证水冷机与激光器的信号连锁处于生效状态,以防水冷机出现故障时影响到激光器的核心部件。方法二:不关水冷机,尤其在夜晚,请保证水冷机不停机,同时将水温设置在5~10℃之间,保证冷却液正常流动且温度在冰...
2019 - 12 - 19
点击次数: 281
激光深熔焊接作为激光焊接的两种基本模式之一(另一为热传导焊接),其应用越来越广泛。为了获得更高的激光深熔焊接效益,飞博激光特为各位焊接用户总结了此种焊接方式的主要影响因素,包括激光功率密度,焊接速度,焦点位置,保护气体,工件接头装配间隙,材料本性等各个方面,助力各家用户趋利避害,最大限度利用好激光器及激光设备。 1. 激光功率密度1)进行深熔焊接的前提是聚焦激光光斑有足够高的功率密度,因此激光功率密度对焊缝成形有决定性的影响。激光功率同时控制熔透深度与焊接速度,对一定直径的激光束,当增大激光功率时,熔深加深,焊接速度加快。2) 对达到一定焊接熔深的激光功率一般存在临界值,达到这个临界值时,熔池剧烈沸腾,超过时则熔深会急剧减少。另外,由于金属蒸气的作用力,熔池内会形成小孔,而小孔正是深熔焊接实现的关键。3) 焦斑功率密度不仅与激光功率成正比,还与激光束...
2019 - 11 - 29
点击次数: 279
作为中高功率光纤激光器的使用“搭档”,水冷机在激光系统运行过程中可以起到良好的降温作用,以防激光器内部过热烧坏元器件给激光器终端使用厂家带来不便和损失。但是,若水冷机使用不当,同样会引起激光器故障,影响厂家的使用和收益。飞博激光为各位终端使用厂家总结了如下水冷机的使用注意事项,请各位按下文指示正确使用水冷机。1. 冷却水可使用去离子水、蒸馏水,冷却水更换周期为30天以内,滤芯更换周期为90天以内。冷却水一定要干净,如果水中有杂质可能会沉积在水冷板中,造成散热不良。2. 因激光器和输出头对水温要求不同,推荐使用双温双控的水冷机为激光器和输出头提供制冷。给激光器制冷的水路温度设置安装激光器使用手册规定设置;给输出头的水路温度设置为当天工作环境气温的最大值。3. 对于环境温度低于0℃的情况,推荐使用带加热功能的水冷机,且水冷机一直保持开机工作状态;水冷机停机不用时,...
2019 - 05 - 16
点击次数: 277
时光荏苒,转眼间飞博激光已成立接近六年,在这六年中,飞博人持续创新,一步步的完善技术工艺,也让产品不断的更新换代。但是飞博自始至终都没有忘记从成立之初就对我们付与信任并选择飞博激光器的老客户们。本期,飞博激光就针对2016年前产的飞博激光器,给老客户们整理了一些输出头水道维护操作指南,希望能给大家带来帮助。此操作指南是针对在现场维护输出头水道的情况,首先现场服务人员应该进行基本的判断现场水道是有问题的,这些判断的依据包括:1. 客户水冷水质比较差2. 给输出头供水的水冷管短接时流速正常,接入输出头后流速显著下降。输出头水道现场维护操作如下:1. 首先确保输出头的输出头进出水管不密闭,这样可以减少拆解时的阻力。2. 将输出头的进出水接头拆下。    3. 将四颗图示的四颗水道护套固定螺丝拆下。4. 确保...
  • 姓名:
  • *
  • 邮箱:
  • *
  • 电话:
  • *
  • 详细说明:
  • *
     
上海飞博激光科技有限公司
电话: 021-59962338
传真: 021-59960273
地址:上海市嘉定区招贤路655号
Copyright ©2019 - 2024 上海飞博激光科技有限公司


犀牛云提供企业云服务