激光切割高质量控制

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 (8)

1. 喷嘴的作用 (8)

2. 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ƒ、发散角θ及入射激光束直径D 之间的关系可按下式进行计算：

2

3

03.02f D f d +=θ （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ƒ有利于缩小光斑直径，但ƒ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，ƒ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10μm。在最佳切割参数时，切割面的粗糙度Rz只有0.8μm。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（3×106W/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CO 2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

CO 2激光功率

/W

最大切割厚度/mm 碳素钢 不锈钢 铝合金 铜 黄铜 1500

12 9 3 1 2 1500

12 - 6 3 4 3000

22 12 - 5 5 4000 25 14 10 5 8

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