激光切割質(zhì)量控制

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. 第七章 激光切割質(zhì)量控制 2 一、 光束特性對切割質(zhì)量的影響 3 二、 激光功率對切割質(zhì)量的影響 5 三、 切割速度對切割質(zhì)量的影響 7 四、 噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度對切割質(zhì)量的影響 8 1. 噴嘴的作用 8 2. 噴嘴與切割質(zhì)量的關(guān)系 8 五、 焦點位置對切割質(zhì)量的影響 10 六、 輔助氣體（種類和壓力）對切割質(zhì)量的影響 13 附錄1　不同材料切割的缺陷及處理方法 15 附錄2　有切割缺陷實物照片 22 激光切割質(zhì)量控制 激光切割的過程是材料吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能，并使材料熔化、汽化的過程。 1) 激光器輸出高能量密度的激光束。 2) 光束通過聚焦鏡，被聚焦，能量高度集中。 3) 聚焦后的光束從噴嘴中心通過，噴嘴內(nèi)噴出切割輔助氣體，其軸心與光路相同。 4) 在激光束和切割氣體的共同作用下，切割材料迅速加熱、氧化與蒸發(fā)，達到切割目的。 激光切割的基本原理是激光與物質(zhì)的相互作用，它既包含復(fù)雜的微觀量子過程，也包含激光作用于各種介質(zhì)材料所發(fā)生的宏觀現(xiàn)象。而這些宏觀現(xiàn)象包括材料對激光的吸收、反射、折射，能量轉(zhuǎn)換和傳遞，材料狀態(tài)及周圍氣體成份，光束作用于材料表面時的組織效應(yīng)等。 因此，影響激光切割質(zhì)量的因素十分復(fù)雜，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、噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度、焦點位置、輔助氣體種類和壓力等。 一、 光束特性對切割質(zhì)量的影響 激光切割的切口寬度同光束模式和聚焦后光斑直徑有較大關(guān)系。由于激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑有關(guān)，為了獲得較大的功率密度和能量客度，在激光切割加工中，光斑直徑要求盡可能小。而光斑直徑的大小主要取決于振蕩器輸出的激光束直徑及其發(fā)散角的大小，同時與聚焦透鏡的焦距有關(guān)。對于一般激光切割中應(yīng)用較廣的ZnSe平凸聚焦透鏡，其光斑直徑d與焦距?、發(fā)散角θ及入射激光束直徑D之間的關(guān)系可按下式進行計算： （7.1） 由上式，若激光束本身的發(fā)散角較小，光斑的直徑也會變小，就能獲得好的切割效果。減小透鏡焦距?有利于縮小光斑直徑，但?減小，焦深縮短，對于切割較厚板材，就不利于獲得上部和下部等寬的切口，影響割縫質(zhì)量；同時，?減小，透鏡與工件的間距也縮小，切割時熔渣會飛濺黏附在透鏡表面，影響切割的正常進行和透鏡的實驗壽命。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于薄板高速切割，只需保證保持透鏡和工件間距恒定。長焦透鏡的聚焦光斑功率密較低，但其焦深大，可用來切割厚斷面材料。焦長短，聚焦光斑小；焦長長，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。當(dāng)透鏡焦長增加，使聚焦光斑尺寸增加1倍，即從Y到2Y時，焦深可隨之增加到4倍，即從X到4X。 圖1 聚焦鏡的聚焦作用 光束模式與它的聚焦能力有關(guān)，與機械刀具的刃口尖銳度有點相似。最低階模是TEM00，光斑內(nèi)能量呈高斯分布。它幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸，如幾個微米直徑，并形成尖的高能量密度。激光模式示意如圖3-3。而高階或多模光束的能量分布較擴張，經(jīng)聚焦的光斑較大而能量密度較低，用它來切割材料如同拿一把鈍刀來進行切割。 圖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。在低碳鋼的切割場合，采用基模TEM00時的切割速度比采用TEM01模式時高出10％，而其產(chǎn)生的粗糙度Rz則要低10μm。在最佳切割參數(shù)時，切割面的粗糙度Rz只有0.8μm。因此，在金屬材料的激光切割中，為了獲得較高的切割速度和較好的切割質(zhì)量，一般使用TEM00模式的激光。 二、 激光功率對切割質(zhì)量的影響 激光功率的大小直接影響所能切割鋼板的厚度，能量越高，可切割材料厚度就越厚。另外，它又影響著工件尺寸精度、切縫寬度、切割面的粗糙度和熱影響區(qū)的寬度等。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)對激光切割過程起著重要的影響。隨著激光功率密度的提高，粗糙度降低。當(dāng)功率密度P0達到某一值（3106W/cm2左右）后，粗糙度Rz值不再減少。 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給出了各種功率的CO2激光切割某些金屬材料的實驗最大厚度。 表1 激光功率與金屬最大切割厚度 CO2激光功率/W 最大切割厚度/mm 碳素鋼 不銹鋼 鋁合金 銅 黃銅 1500 12 9 3 1 2 1500 12 - 6 3 4 3000 22 12 - 5 5 4000 25 14 10 5 8 對連續(xù)波輸出的激光器來說，激光功率大小和模式都會對切割質(zhì)量發(fā)生重要影響。實際操作時，常常設(shè)置最大功率，以獲得最快切割速度，提高生產(chǎn)效率，或用以切割較厚的材料。理論上，我們要求激光器輸出功率越大越好，但考慮激光器本身成本問題，激光器輸出功率只有盡可能達切割機本身的最大值。下圖示出當(dāng)激光功率不足時，切割低碳鋼板產(chǎn)生的問題（未切透a、下部產(chǎn)生大量沾渣b及粗糙的斷面c等）。 (a) (b) (c) 圖3 激光功率對低碳鋼切割質(zhì)量影響 三、 切割速度對切割質(zhì)量的影響 切割速度對不銹鋼板切割質(zhì)量有很大影響，最佳的切割速度使切割面呈較平穩(wěn)線條，光滑且下部無熔渣產(chǎn)生。若切割速度過快，會導(dǎo)致鋼板無法切透，引起火花飛濺，下半部產(chǎn)生熔渣，甚至燒傷透鏡，這是因為切割速度過高，單位面積獲得的能量減少，金屬未能完全熔化；若切割速度過慢，則容易造成材料過熔，切縫變寬，熱影響區(qū)增大，甚至引起工件過燒，這是因為切割速度過低，能量在切縫處積累，引起切縫變寬，熔化金屬不能及時排出，便在鋼板下表面形成沾渣。產(chǎn)生如圖3所示的切割缺陷。 切割面光潔 下表面沾渣 斷面粗糙 切不透 圖4切割速度對切割質(zhì)量的影響 切割速度和激光輸出功率一起決定被加工件的輸入熱量。因此，由于切割速度的增減而引起的輸入熱量變化和加工質(zhì)量的關(guān)系與輸出功率變化的情況相同。一般情況下，調(diào)整加工條件時，若以改變輸入熱量為目的，不會同時改變輸出功率和切割速度，只需固定其中一方，變化另一方來調(diào)整加工質(zhì)量即可。 四、 噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度對切割質(zhì)量的影響 噴嘴形狀(孔徑)、噴嘴高度（噴嘴出口與工件表面之間的距離）等，均會影響切割的效果。 1. 噴嘴的作用 控制氣體擴散面積，從而控制切割質(zhì)量。 圖5 氣體從噴嘴噴出的情況 2. 噴嘴與切割質(zhì)量的關(guān)系 噴嘴出口孔中心與激光束的同軸度是影響切割質(zhì)量優(yōu)劣的重要因素之一，工件越厚，影響越大。 當(dāng)噴嘴發(fā)生變形或有熔漬時，將直接影響同軸度。 噴嘴形狀和尺寸精度要求高，故噴嘴應(yīng)小心保存，避免碰傷以免造成變形。 如果由于噴嘴的狀況不良，從而需要要改變切割時的各項條件，那就不如更換新的噴嘴。 如果噴嘴與激光不同軸，將對切割質(zhì)量產(chǎn)生如下影響。 a． 對切割斷面的影響 如圖所示，當(dāng)輔助氣體從噴嘴吹出時，氣量不均勻，出現(xiàn)一邊有熔漬，另一邊沒有的現(xiàn)象。對切割3mm以下薄板時，它的影響較小，切割3mm以上時，影響較嚴重，有時無法切透。 圖6 同軸度對切割斷面的影響 b． 對尖角的影響 工件有尖角或角度較小時，容易產(chǎn)生過熔現(xiàn)象，厚板則可能無法切割。 c． 對穿孔的影響 穿孔不穩(wěn)定，時間不易控制，對厚板會造成過熔，且穿透條件不易掌握。對薄板影響較小。 五、 焦點位置對切割質(zhì)量的影響 焦點位置是指焦點距工件上表面的距離，以被加工材料表面為基準(zhǔn)，工件表面以上為正，以下為負。 圖7 焦點位置 焦點位置直接影響切口寬度、坡度、切斷面粗糙度及沾渣附著情況。焦點位置不同，被加工物表面的光束直徑及焦點深度即不同，進而引起加工溝的形狀變化，影響加工溝內(nèi)的加工氣體及熔融金屬的流動。 由于能量密度與4/πd2（d為焦點光斑直徑）成正比，所以d應(yīng)盡可能的小，以便產(chǎn)生窄的切縫。同時d和透鏡的焦深成正比，焦深越小，d就越小。但切割有飛濺，透鏡離工件太近容易被損壞，因此一般高功率激光切割工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用5″～7.5″（127～190 mm）的焦距，實際焦點光斑直徑在0.1～0.4 mm 之間。因此控制焦點位置十分重要。考慮到切割質(zhì)量、切割速度等因素，原則上厚度<6 mm的金屬材料，焦點位置在表面；厚度>6 mm 的碳鋼，焦點位置在表面之上；在切割不銹鋼板時，焦點位置一般取在表面以下。通常切割厚度為4 mm 以下材料時，選用5″聚焦鏡。飛行光路切割機切割近端和遠端時光程長短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大，焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化，可安裝光路補償系統(tǒng)，以保持近端和遠端的光程不變。激光束通過聚焦透鏡，如圖8所示。 圖8 光束通過透鏡后形成的焦點 光斑直徑由下式計算： （2） 其中：D——聚焦前光束直徑；K——光束質(zhì)量因子 此外，引起焦點位置對切割質(zhì)量影響的另一個因素是聚焦深度，其計算公式為： （3） 由以上分析知，在不出現(xiàn)沾渣的情況下，焦點位置越靠近鋼板中部，切割面越平滑。 焦點位置的選取對不銹鋼板切割質(zhì)量有重要影響。當(dāng)焦點位置合適時，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，形成無沾渣的切縫，如下圖（a）所示；當(dāng)焦點位置滯后時，切割材料下端單位面積所吸收的能量減少，切割能量削弱，導(dǎo)致材料不能完全熔化被輔助氣體吹走，以致未完全熔化的材料附著在切割板材下表面，呈前端尖銳且短小的沾渣，如下圖（b）所示；當(dāng)焦點位置超前時，切割材料下端單位面積所吸收的平均能量增大，導(dǎo)致所切割下的材料與切割沿附近的材料融化，并呈液體流動狀，這時由于輔助氣壓及切割速度不變，所熔化的材料呈球狀沾附在材料下表面，如下圖（c）所示。故在切割過程中可以通過觀察沾渣形態(tài)來調(diào)節(jié)焦點位置，保證切割質(zhì)量。 (a)無沾渣 (b)尖銳且短小沾渣 (c)球狀沾渣 圖9 焦點位置對沾渣的影響 焦點位置合適 焦點位置偏小 焦點位置偏大 圖10 不同焦點位置對切割質(zhì)量的影響 在實際生產(chǎn)中，要求激光切割不銹鋼板焦點選取在材料表面或表面以下。這正是因為擴大切割溝上部寬度，提高氣體及熔融物的流動性，并使平滑面范圍擴大，提高切割質(zhì)量。在切割過程中，對不同厚度的鋼板，焦點位置并沒有一個確定的值，當(dāng)焦點位置取在鋼板表面或表面以上時，由于鋼板下部平均功率密度小，能量不足，易在下表面產(chǎn)生沾渣。因此，激光切割不銹鋼板時，焦點位置應(yīng)該選取在材料內(nèi)部。以提高氣體及熔融金屬的流動性，保證了下部有足夠的能量密度，使平滑面范圍擴大。具體數(shù)值通過實驗確定。 六、 輔助氣體（種類和壓力）對切割質(zhì)量的影響 一般情況下，材料切割都需要使用輔助氣體，主要涉及氣體種類和壓力。氣體種類、氣壓、噴嘴直徑和幾何結(jié)構(gòu)影響邊緣粗糙度和毛刺的生成，氣體消耗取決于噴嘴直徑和氣壓，切割氣壓在0.5MPa以下為低氣壓，2MPa以上為高壓。通常，輔助氣體與激光束同軸噴出，可以保護聚焦透鏡不被污染的同時，又可吹走切割區(qū)底部熔渣。在一般切割中使用的氣體種類有氧氣、氮氣和空氣，不同切割材料要求不同輔助氣體種類。氧氣主要用于開孔、碳鋼和不銹鋼板的高速切割、高反射材料的氧化切割；氧氣作為輔助氣體還可以使金屬燃燒，利用其氧化反應(yīng)熱進行高效率的切割，但同時會在切割面上產(chǎn)生氧化膜；氮氣主要用于不銹鋼板的無氧化切割、鍍鋅板的無沾渣切割；空氣主要用于鋁和鍍鋅鋼板的無沾渣切割、普通非金屬切割。輔助氣體壓力隨使用氣體的種類，切割材料材質(zhì)，板厚及激光輸出形態(tài)（CW/脈沖）而不同。輔助氣體壓力大小影響受粘渣附著、切割面質(zhì)量、熱影響區(qū)域大小等。加工時噴嘴出口氣壓條件如下表所示： 表2 各切割工藝與輔助氣體壓力之間關(guān)系 開孔（MPa） 薄碳鋼O2切割(MPa) 厚碳鋼O2切割(MPa) 不銹鋼N2切割(MPa) 鋁材Air切割(MPa) 丙烯樹脂凈面切割(MPa) 0.02-0.05 0.1-0.3 0.05-0.1 0.6-1.5 0.6-1.0 <0.01 在確定輔助氣體類型的前提下，氣體壓力大小是一個極為重要的因素，若輔助氣體壓力過高，會在工件表面形成渦流，削弱氣流去除熔融材料的能力，造成切割面較粗糙，切縫較寬；若輔助氣體壓力過低，則吹不走切口處的熔融材料，在被切割材料背面產(chǎn)生沾渣。因此，輔助氣體壓力存在一個最佳值。當(dāng)高速切割薄型材料時，需要較高的氣體壓力，以防切口背面產(chǎn)生沾渣；當(dāng)材料厚度增加，或切割速度較慢時，則氣體壓力宜適當(dāng)降低。以不銹鋼板激光切割為例，在其切割過程中，輔助氣體可以冷卻切縫鄰近區(qū)域，減少熱影響區(qū)，防止燃燒物損壞透鏡。另外，使用氮氣作為輔助氣體，它可以使熔融金屬具有良好的流動性。 在實際加工中，因工藝參數(shù)不當(dāng)而引起加工缺陷，原因復(fù)雜。根據(jù)幾十年的激光切割工藝經(jīng)驗，總結(jié)出切割缺陷的應(yīng)對之策，以指導(dǎo)實際生產(chǎn)，很有意義。詳見附錄。 附錄1　不同材料切割的缺陷及處理方法 碳鋼：用O2切割 缺陷 可能原因 解決辦法 底部的牽引線有很大的偏移，底部的切口更寬 進給速率太高 激光功率太低 氣壓太低 焦點太高 減小進給速率 增加激光功率 加大氣壓 降低焦點 底面上的毛刺類似熔渣，成點滴狀并容易除去 進給速率太高 氣壓太低 焦點太高 減小進給速率 加大氣壓 降低焦點 連在一起的金屬毛刺可以作為一整塊被除去 焦點太高 降低焦點 底面上的金屬毛刺很難除去 進給速率太高 氣壓太低 氣體不純 焦點太高 減小進給速率 加大氣壓 使用更純的氣體 降低焦點 只在一邊上有毛刺 噴嘴未對中 噴嘴口有缺陷 對中噴嘴 換噴嘴 材料從上面排出 功率太低 進給速率太高 立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上。然后增加功率，減小進給速率 傾斜面切割 兩面好，兩面差 極化反射鏡不合適，安裝不正確或有缺陷 極化反射鏡安裝在了偏轉(zhuǎn)鏡的位置 檢查極化反射鏡 檢查偏轉(zhuǎn)鏡 藍色等離子體，工件未切透 加工氣體錯誤（N2） 進給速率太高 功率太低 立即停止切割，以防止溶渣飛濺到聚焦鏡上。 改用O2作為加工氣體 減小進給速率 增加功率 切割表面不精密 氣壓太高 噴嘴損壞了 噴嘴直徑太大 材料不好 減小氣壓 更換噴嘴 安裝合適的噴嘴 使用表面平滑均勻的材料 無毛刺，牽引線傾斜 切口在底部變得更狹窄 進給速率太高 減小進給速率 產(chǎn)生彈坑 氣壓太高 進給速率太低 焦點太高 板材表面有銹 加工的工件過熱 材料不純 減小氣壓 增加進給速率 降低焦點 使用質(zhì)量更好的材料 非常粗糙的切割表面 焦點太高 氣壓太高 進給速率太低 材料太熱 降低焦點 減小氣壓 增加進給速率 冷卻材料  不銹鋼：用高壓N2切割 缺陷 可能原因 解決辦法 產(chǎn)生點滴狀的細小規(guī)則毛刺 焦點太低 進給速率太高 抬高焦點 減小進給速率 兩邊都產(chǎn)生長的不規(guī)則的細絲狀毛刺，大板材的表面變色 進給速率太低 焦點太高 氣壓太低 材料太熱 增加進給速率 降低焦點 加大氣壓 冷卻材料 只在切割邊緣的一邊產(chǎn)生長的不規(guī)則的毛刺 噴嘴未對中 焦點太高 氣壓太低 速度太低 對中噴嘴 降低焦點 加大氣壓 提高速度 切割邊緣發(fā)黃 氮氣里含有氧氣雜質(zhì) 使用質(zhì)量好的氮氣 在直線截面上產(chǎn)生等離子體 進給速率太高 功率太低 焦點太低 立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上 減小進給速率 增加功率 抬高焦點 光束分散 進給速率太高 功率太低 焦點太低 減小進給速率 增加功率 抬高焦點 拐角處產(chǎn)生等離子體 角度公差太高 調(diào)制太高 加速度太高 減小角度公差 減小調(diào)制或加速度 光束在開始處發(fā)散 加速度太高 焦點太低 熔化的材料未能排出 減小加速度 抬高焦點 穿圓孔 切口粗糙 噴嘴損壞了 透鏡臟了 更換噴嘴 清洗透鏡，如果需要就更換 材料從上面排出 功率太低 進給速率過大 氣壓太高 立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上 增加功率 減小進給速率 減小氣壓 合金：用高壓N2切割 缺陷 可能原因 解決辦法 兩邊都產(chǎn)生長的不規(guī)則的細絲狀毛刺，很難除去 焦點太高 氣壓太低 進給速率太低 降低焦點 加大氣壓 增加進給速率 兩邊都產(chǎn)生長的不規(guī)則的毛刺，可手工除去 進給速率太低 增加進給速率 切口粗糙 噴嘴直徑太大 噴嘴損壞了 氣壓太高 安裝合適的噴嘴 更換噴嘴 減小氣壓 細小規(guī)則的毛刺，很難除去 焦點太低 進給速率太高 抬高焦點 減小進給速率 在直線截面上產(chǎn)生等離子體 進給速率太高 焦點太低 減小進給速率 抬高焦點 光束分散 進給速率太高 減小進給速率 拐角處產(chǎn)生等離子體 角度公差太高 調(diào)制太高 加速度太高 減小角度公差 減小調(diào)制或加速度 光束在開始處發(fā)散 進場速度太高 焦點太低 減小進場速度 抬高焦點 切口粗糙 噴嘴損壞了 更換噴嘴 材料從上面排出 功率太低 進給速率過大 立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上 增加功率 減小進給速率 附錄2　有切割缺陷實物照片 1．不銹鋼切割缺陷 缺陷 可能的原因 排除 速度太快 焦點太低 功率太低 降低速度 增加功率 中心不對 噴嘴內(nèi)孔不流暢、不圓. 光路不正 檢查中心 檢查噴嘴狀況 檢查光路 焦點太低 提高焦點，每次0.1-0.2 mm 氮氣壓力太低 增加氮氣壓力 焦點太高 降低焦點，每次0.1-0.2 mm 切割速度太快 切割速度每次減少50-200 mm/min 焦點太低 焦點每次提高 0.1-0.2 mm 氮氣不純 氣管中存在氧氣或空氣 檢查氮氣的純度. 增加延時以清潔氣管 檢查氣路(不漏)  2.碳鋼 缺陷 可能的原因 排除 透鏡中心不正 噴嘴孔堵或不圓 光路不正 檢查透鏡中心 檢查噴嘴狀態(tài) 檢查光路，重新打靶 引入線長或引入方式不對 線型不對 穿孔時間太長 切割時的熱量太多 改正引入方式和引入長度 檢查線型 穿孔時間≤2秒 減少占空比，每次2-3% 壓力太高 焦點太高 功率太高 材料不好 減小壓力，每次 0.1 bar 減小功率 檢查透鏡的焦點 功率低 速度高 壓力低 增加功率 降低速度 增加壓力 速度太高 功率低 壓力太低 減少速度 增加占空比，每次 5-10% 增加功率，每次100W 逐步增加壓力，每次 0.1-0.2bar 局部熱量太多 材料問題 改變切割順序 更換材料 壓力太高 速度太高 減少壓力，每次0.1-0.2bar 降低速度 焦點太低 壓力太低 提高焦點，每步0.1-0.2 mm 增加壓力，每步 0.1-0.2 bar .