提高金属熔化切割性能的黄金公式

日期: 2019-12-12
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一、 激光平面切割特性

激光切割是激光最普通也最常见的工业应用,超过80%的高功率工业激光器被用于激光切割。它使用经聚焦的高能量密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借助同轴高速气流吹除熔融物质,从而实现将工件割开,如下图示:

提高金属熔化切割性能的黄金公式

一、 决定激光平面切割性能的要素

1) 与激光束相关的要素

主要是:

一、 决定激光平面切割性能的要素

 1) 与激光束相关的要素

主要是:

●  激光功率, 通常激光功率越高,切割越快或切割厚度越大

●  激光模式(单模,多模),通常单模切割速度更快,多模更适合切割厚板

●  输出形态(连续输出,脉冲输出),通常连续输出切割速度快,但热影响区相对较大,脉冲输出切割速度较慢,但热影响区较小

此外还有:波长,频率,占空比


2) 与加工透镜相关的要素

主要是:

●  聚焦镜焦距:一般焦距越大,焦点光斑直径就越大

●  焦点光斑直径,由焦距和光纤芯径共同决定。焦点光斑直径越大,切割速度越慢,切割的厚度增加,反之亦然)。

●  焦点位置:即聚焦点到加工材料上表面的相对位置),通常氧气切割时焦点在材料上表面上方,氮气切割时焦点在材料上表面下方。

此外还有:扩束镜焦距,焦点深度(焦点深度越大,加工的稳定性越高)

 

3) 与喷嘴相关的要素

●  喷嘴直径:决定这熔化、燃烧的可限制范围,以及辅助切割气体的流量

●  喷嘴位置:喷嘴距离加工材料上表面的距离

●  喷嘴结构:常见有单层喷嘴,双层喷嘴(对空气的屏蔽效果好,利于切割气体供应能够达到板厚的下部,从而提高切割质量)

此外还有:喷嘴形状(一般是圆形)

 

4) 与辅助气体相关的要素

●  气体的种类:气体的种类影响着加工质量和加工能力。根据辅助气体的不同,金属激光切割通常是熔化切割(氮气)、氧化切割(氧气)和空气切割(使用压缩空气)。

●  辅助气体压力:影响着熔化金属从切缝中排出的情况

●  气体的纯度:氧气的纯度决定着燃烧的效率。一般气体纯度越高,切割质量越好。

 

5) 与加工材料相关的要素

板材的材质和厚度会影响到激光能力的消耗。材料的表面状况会影响到吸收能量激光的稳定性,而加工形状又会影响到热量的扩散。

 

二、 各要素对激光平面切割性能的影响

在激光切割金属的过程中,金属材料吸收激光能量后转化成热量,从而熔化金属材料。从热平衡理论计算,总结出熔化切割具有以下经验公式:

P=K*(t*v*w)

其中:

P代表材料吸收的激光功率;

K是一个固定数值,由板材决定;

t: 板材厚度

v: 切割速度

w: 切缝宽度

 

在大轮廓切割板材时,采用高光束质量(如单模)激光器时,切缝宽度w可以做到较窄,同样的激光功率就实现很高的切割速度。同时由于切割速度较高,热量在切缝横向方向积累少,切缝下表面两侧的发黄痕迹也会较窄。

采用高光束质量(如单模)激光器在小轮廓(比如小拐角)切割板材时,切割速度一般不高,但由于切缝宽度更窄,可以使用较低的激光功率,从而热量在切缝横向方向积累少,降低了拐角过烧。

 所以使用高光束质量(如单模)激光器切割板材时,可以提高切割质量和切割质量。这在薄板熔化切割中尤其突出。在厚板切割时,为了利于排出更多的熔渣,一般会采用较宽的切缝,这时提高料吸收的激光功率更加有效

激光功率, 通常激光功率越高,切割越快或切割厚度越大

l 激光模式(单模,多模),通常单模切割速度更快,多模更适合切割厚板

l 输出形态(连续输出,脉冲输出),通常连续输出切割速度快,但热影响区相对较大,脉冲输出切割速度较慢,但热影响区较小

此外还有:波长,频率,占空比

2) 与加工透镜相关的要素

主要是:

l 聚焦镜焦距:一般焦距越大,焦点光斑直径就越大

l 焦点光斑直径,由焦距和光纤芯径共同决定。焦点光斑直径越大,切割速度越慢,切割的厚度增加,反之亦然)。

l 焦点位置:即聚焦点到加工材料上表面的相对位置),通常氧气切割时焦点在材料上表面上方,氮气切割时焦点在材料上表面下方。

此外还有:扩束镜焦距,焦点深度(焦点深度越大,加工的稳定性越高)

 

3) 与喷嘴相关的要素

l 喷嘴直径:决定这熔化、燃烧的可限制范围,以及辅助切割气体的流量

l 喷嘴位置:喷嘴距离加工材料上表面的距离

l 喷嘴结构:常见有单层喷嘴,双层喷嘴(对空气的屏蔽效果好,利于切割气体供应能够达到板厚的下部,从而提高切割质量)

此外还有:喷嘴形状(一般是圆形)

 

4) 与辅助气体相关的要素

l 气体的种类:气体的种类影响着加工质量和加工能力。根据辅助气体的不同,金属激光切割通常是熔化切割(氮气)、氧化切割(氧气)和空气切割(使用压缩空气)。

l 辅助气体压力:影响着熔化金属从切缝中排出的情况

l 气体的纯度:氧气的纯度决定着燃烧的效率。一般气体纯度越高,切割质量越好。

 

5) 与加工材料相关的要素

板材的材质和厚度会影响到激光能力的消耗。材料的表面状况会影响到吸收能量激光的稳定性,而加工形状又会影响到热量的扩散。

 

二、 各要素对激光平面切割性能的影响

在激光切割金属的过程中,金属材料吸收激光能量后转化成热量,从而熔化金属材料。从热平衡理论计算,总结出熔化切割具有以下经验公式:

P=K*(t*v*w)

其中:

P代表材料吸收的激光功率;

K是一个固定数值,由板材决定;

t: 板材厚度

v: 切割速度

w: 切缝宽度 

在大轮廓切割板材时,采用高光束质量(如单模)激光器时,切缝宽度w可以做到较窄,同样的激光功率就实现很高的切割速度。同时由于切割速度较高,热量在切缝横向方向积累少,切缝下表面两侧的发黄痕迹也会较窄。

采用高光束质量(如单模)激光器在小轮廓(比如小拐角)切割板材时,切割速度一般不高,但由于切缝宽度更窄,可以使用较低的激光功率,从而热量在切缝横向方向积累少,降低了拐角过烧。

 所以使用高光束质量(如单模)激光器切割板材时,可以提高切割质量和切割质量。这在薄板熔化切割中尤其突出。在厚板切割时,为了利于排出更多的熔渣,一般会采用较宽的切缝,这时提高料吸收的激光功率更加有效。


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