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激光切割技术激光切割的原理及特点激光切割的影响因素光纤切割的原理及特点1、激光切割技术的原理•激光切割的原理是将激光束聚焦成很小光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化温度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。激光切割的特点•激光切割的特点是：切缝窄、变形小、精度高、速度快、效率高•首先激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，所以激光切割可提供：狭的直边割缝；最小的邻近切边的热影响区；极小的局部变形•其次，激光束对工件不旋加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着工件无机械变形；无刀具磨损，也谈不上刀具的替换问题；切割材料无需考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影响，任何硬度的材料都可切割。激光切割的特点•再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而：与自动化装备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力。•大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进行无变形切割。数控激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；它没有械具消耗，无需修理模具，节约更换械具时间，从而节省加工费用，降低产品成本。2影响切割的因素•切割工艺与下述因素关系紧密：•激光模式•激光功率•光路的稳定性•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•板材表面质量与切割相关的各工艺参数如下图所示：辅助气体压力割嘴直径透镜焦距材料表面割嘴相对板面距离光束直径焦点割缝宽切割气体类型一激光模式•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。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。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，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。切幅喷嘴喷嘴切幅焦点位置与切割面的关系正焦距焦点在工件表面上切割厚钢板时采用。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。喷嘴切幅焦点位置•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。•喷嘴的作用•防止熔渍等杂物往上反弹，穿过喷嘴，污染聚焦镜片。•控制气体扩散面积及大小，从而控制切割质量。图3没有喷嘴时，气体喷出的情况•图4有喷嘴时，气体喷出的情况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。•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。喷嘴与切割品质的关系•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。•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。•图5同轴度对切割•断面的影响喷嘴右边吹气量小激光左边吹气量小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：•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。图6调整同轴步骤1•用10~20瓦的功率，手动打孔。白色不干胶带喷嘴•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7喷嘴偏离太大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8聚焦镜松动注意观察黑点偏离喷嘴中心的方向，调整喷嘴位置图9调整喷嘴位置，与激光束同轴正确调整螺钉喷嘴孔径•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•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。•图10喷嘴高度四切割速度•1速度过快•如果切割速度过快，可能造成以下后果。•可能无法切透，火花乱喷。•有些区域可以切透，但有些区域无法切透。•整个断面较粗，但不产生溶渍。•切割断面呈斜条纹路，•且下半部产生溶渍。•图11速度过快喷嘴辅助气体无法即时切断造成斜角熔渍切割速度•2速度太慢•造成过熔，切断面较粗糙。•切缝变宽，尖角部位整个溶化。•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–火花由上往下扩散–图12切割速度正常图12切割速度正常切割速度•火花若倾斜时，则说明切割速度太快。•图13切割速度过快•火花呈现不扩散且少，•聚集在一起，则说明•速度太慢。•图14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15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好要求，不但影响切割的质量，而且会造成镜片的污染。热热切割辅助气体•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.气体压力过高时，对切割质量的影响3气流过大时，切割面较粗，且缝较宽。气流过大时，造成切断部分熔化，无法形成良好切割质量。切割气体•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。•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•激光功率对切割过程和质量有决定性的影响。•功率太小无法切割•图16功率太小•功率过大，整个切割面熔化•图17功率过大•功率不足，切割后产生熔渍•图18功率不足•功率适当，切割面良好，无熔渍•图19功率适当辅助气体3、光纤激光切割•切割的原理都一样，主要是发生器不一样。光纤激光器是把泵浦物质掺入到光纤中，由半导体激光器发出的特定的波长的激光耦合后。使光纤产生激光。优点是模式好，利于切割。光电转换率高可以达到二氧化碳的两倍。而且在切割薄板金属的时候有优势，因为光纤激光器发出的光是1070纳米的波长所以吸收率更高。在切割头处扩束模块与聚焦镜之间要加装保护镜这块镜片很容易坏大约一周坏1块，一个月3到4块这块镜片二氧化碳是不需要的而且由于波长的原因光纤切割的焦点比较敏感，所以厚板不好切割，再加上现有的光纤激光器功率比较小，所以切割厚板时速度慢。光纤设备商用化的时间比较短还有很多不足，但这绝对是一个方向。光纤激光切割•激光传输区别：光纤切割机为软光路的光纤传输，基本没有能量的损耗，CO2切割机为硬光路传输，能量损耗巨大。•光纤切割参数表（附表）