激光切割质量控制

第七章 激光切割质量控制2一、光束特性对切割质量的影响3二、激光功率对切割质量的影响5三、切割速度对切割质量的影响7四、喷嘴型式（孔径）和喷嘴高度对切割质量的影响81.喷嘴的作用82.喷嘴与切割质量的关系8五、焦点位置对切割质量的影响10六、辅助气体（种类和压力）对切割质量的影响13附录1不同材料切割的缺陷及处理方法15附录2有切割缺陷实物照片22激光切割质量控制激光切割的过程是材料吸收光能并转化为热能，并使材料熔化、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。4) 在激光束和切割气体的共同作用下，切割材料迅速加热、氧化与蒸发，达到切割目的。激光切割的基本原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材料所发生的宏观现象。而这些宏观现象包括材料对激光的吸收、反射、折射，能量转换和传递，材料状态及周围气体成份，光束作用于材料表面时的组织效应等。因此，影响激光切割质量的因素十分复杂，除了加工材料本身之外，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，若激光束本身的发散角较小，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，就不利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，切割时熔渣会飞溅黏附在透镜表面，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，只需保证保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，可用来切割厚断面材料。焦长短，聚焦光斑小；焦长长，聚焦光斑也大，焦深变化也如此。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，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，用它来切割材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，采用基模TEM00时的切割速度比采用TEM01模式时高出10，而其产生的粗糙度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，在金属材料的激光切割中，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切割钢板的厚度，能量越高，可切割材料厚度就越厚。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（3106W/cm2左右）后，粗糙度Rz值不再减少。激光功率越大，所能切割的材料厚度也越厚；但相同功率的激光，因材料不同，所能切割的厚度也不同。表1给出了各种功率的CO2激光切割某些金属材料的实验最大厚度。表1 激光功率与金属最大切割厚度CO2激光功率/W最大切割厚度/mm碳素钢不锈钢铝合金铜黄铜1500129312150012-63430002212-55400025141058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。实际操作时，常常设置最大功率，以获得最快切割速度，提高生产效率，或用以切割较厚的材料。理论上，我们要求激光器输出功率越大越好，但考虑激光器本身成本问题，激光器输出功率只有尽可能达切割机本身的最大值。下图示出当激光功率不足时，切割低碳钢板产生的问题（未切透a、下部产生大量沾渣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大影响，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，会导致钢板无法切透，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，则容易造成材料过熔，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，熔化金属不能及时排出，便在钢板下表面形成沾渣。产生如图3所示的切割缺陷。切割面光洁 下表面沾渣断面粗糙 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化和加工质量的关系与输出功率变化的情况相同。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，变化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（喷嘴出口与工件表面之间的距离）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，故喷嘴应小心保存，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。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表面的距离，以被加工材料表面为基准，工件表面以上为正，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。焦点位置不同，被加工物表面的光束直径及焦点深度即不同，进而引起加工沟的形状变化，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/d2（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用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、切割速度等因素，原则上厚度6 mm 的碳钢，焦点位置在表面之上；在切割不锈钢板时，焦点位置一般取在表面以下。通常切割厚度为4 mm 以下材料时，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不同，聚焦前的光束尺寸有一定差别。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化带来的焦点光斑尺寸的变化，可安装光路补偿系统，以保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： （2）其中：D聚焦前光束直径；K光束质量因子此外，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，切割下的材料熔化，而切割沿附近的材料并未熔化，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，切割材料下端单位面积所吸收的能量减少，切割能量削弱，导致材料不能完全熔化被辅助气体吹走，以致未完全熔化的材料附着在切割板材下表面，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，切割材料下端单位面积所吸收的平均能量增大，导致所切割下的材料与切割沿附近的材料融化，并呈液体流动状，这时由于辅助气压及切割速度不变，所熔化的材料呈球状沾附在材料下表面，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，保证切割质量。 (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 不同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材料表面或表面以下。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，对不同厚度的钢板，焦点位置并没有一个确定的值，当焦点位置取在钢板表面或表面以上时，由于钢板下部平均功率密度小，能量不足，易在下表面产生沾渣。因此，激光切割不锈钢板时，焦点位置应该选取在材料内部。以提高气体及熔融金属的流动性，保证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，材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缘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，可以保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，不同切割材料要求不同辅助气体种类。氧气主要用于开孔、碳钢和不锈钢板的高速切割、高反射材料的氧化切割；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。辅助气体压力随使用气体的种类，切割材料材质，板厚及激光输出形态（CW/脉冲）而不同。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)0.02-0.050.1-0.30.05-0.10.6-1.50.6-1.00.01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，会在工件表面形成涡流，削弱气流去除熔融材料的能力，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材料，在被切割材料背面产生沾渣。因此，辅助气体压力存在一个最佳值。当高速切割薄型材料时，需要较高的气体压力，以防切口背面产生沾渣；当材料厚度增加，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不同材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办法底部的牵引线有很大的偏移，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大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大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大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材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，安装不正确或有缺陷极化反射镜安装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表面不精密气压太高喷嘴损坏了喷嘴直径太大材料不好减小气压更换喷嘴安装合适的喷嘴使用表面平滑均匀的材料无毛刺，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表面有锈加工的工件过热材料不纯减小气压增加进给速率降低焦点使用质量更好的材料非常粗糙的切割表面焦点太高气压太高进给速率太低材料太热降低焦点减小气压增加进给速率冷却材料不锈钢：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，大板材的表面变色进给速率太低焦点太高气压太低材料太热增加进给速率降低焦点加大气压冷却材料只在切割边缘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大气压提高速度切割边缘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散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材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，如果需要就更换材料从上面排出功率太低进给速率过大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大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大喷嘴损坏了气压太高安装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散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材料从上面排出功率太低进给速率过大立即停止切割，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对喷嘴内孔不流畅、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0.1-0.2 mm氮气压力太低增加氮气压力焦点太高降低焦点，每次0.1-0.2 mm切割速度太快切割速度每次减少50-200 mm/min焦点太低焦点每次提高 0.1-0.2 mm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式不对线型不对穿孔时间太长切割时的热量太多改正引入方式和引入长度检查线型穿孔时间2秒减少占空比，每次2-3%压力太高焦点太高功率太高材料不好减小压力，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 5-10%增加功率，每次100W逐步增加压力，每次 0.1-0.2bar局部热量太多材料问题改变切割顺序更换材料压力太高速度太高减少压力，每次0.1-0.2bar降低速度焦点太低压力太低提高焦点，每步0.1-0.2 mm增加压力，每步 0.1-0.2 bar