光纤激光器切割工艺培训_000

光纤激光器的切割工艺

居剑

2014年9月

培训内容•激光切割基本原理•影响激光切割的因素

激光切割原理

•激光光束

–照射被加工材料，加热至熔化的高温（可伴随氧化反应）•辅助气体

–氧气：帮助燃烧，产生的热量进而促进加工

–高速气体辅助排出熔化金属

切缝的形成原理

穿孔的原理

•初始阶段焦点位于上方，大光斑加热。•焦点位置不断下移，直至贯穿。

培训内容•激光切割基本原理•影响激光切割的因素

影响激光加工的要素

•影响激光切割因素众多：光束质量，透镜，气体，被加工材料。

激光光束对加工的影响

•多模与单模比，坡脚部分梯度大，对比12mm碳钢的切割加工裕度显示，多模切割的加工条件裕度比较宽。

透镜与切割性能的关系

•焦点直径，焦点深度

–正比于透镜焦距

–反比于准直光斑直径

•对切割影响

–短焦距：能量密度大，

切割速度快，适用于薄

板切割

–长焦距：宽切缝，利于

排渣，焦点裕度大，适

用于厚板切割

焦点位置与切割前沿关系

•Z=0: 切缝宽度最小，无法

向切缝内供应足够氧气，

因此底部拖曳线向后方滞

后。

•Z=+3：切缝宽度扩大，拖

曳线滞后量最小，熔融金

属可顺利从切缝排出。

•Z=+6：能量密度降低，熔

融能力减弱，底部燃烧不

充分，拖曳线滞后严重。

焦点位置及其应用场合

厚板切割的透镜及模式（碳钢）

不锈钢焦点位置与切割现象

•根据背面毛刺形状的观察，可判断焦点位置。

如何对焦点？

•蓝光法

–以氮气做辅助气体，照射低功率激光束，寻找蓝光亮度最高对应的位置。

–短焦透镜蓝光亮度高，产生范围狭窄，易于辨识。

–长焦透镜蓝光亮度低，产生范围宽，不利于辨识。

•注意事项

–选用长焦距透镜时，可是当增加输出功率进行补偿，以便识别。

–采用低压且能大范围屏蔽的辅助气体。

–选择表面状态较好的区域。

切割头基本结构

•透镜

–光束准直和聚焦

•喷嘴

–辅助气体，要求同轴性好

•冷却装置

–对透镜进行冷却

•电容传感器

–保持稳定加工距离

QBH vs. QCS

•QBH 和QCS 最大的不同在于一个是发散光束，一个是准直光束。

•QCS 镜片小，散热有局限，因此无法承受高功率。

•QCS 集成了准直镜片，减小了切割头的镜片数量，切割头有成本优势。

QBH

切割头

QCS

切割头

热透镜效应

•不干净的透镜或玻璃杂质

含量高的透镜会吸收光束

的能量，而温度升高变热。

•温升进而导致透镜变形和

折射率变化，影响焦点位

置和聚焦质量，对加工产

生不利影响。

•对工件的加工开始和加工结束的切割面进行对比：

–加工开始处，光学元件处

于低温，热透镜影响小。

–加工结束处（至少10s以

后），若产生热透镜效应，

焦点位置，光束模式会变

化。

•判断步骤

–激光照射后，立即进行切割

–激光照射不同时间（5/10/20/30s），立即进行切割•对切缝的断面加工质量进行评判，如前页所示。

•若切缝宽度明显变宽或产生加工缺陷，则说明光束质量随激光照射时间

不同而发生了变化，据此可判断产生热透镜效应。

过烧产生的原因

•过烧是在加工过程中由于产生的热量无法得到有效冷却而产生的一种现象。

•过烧多发生于尖角区域，

–该区域已经处于高温状态，且散热面积小。

–激光前进速度小于热传导速度。

•穿孔时由于孔内壁会吸收激光，温度在狭小范围内急剧上升，也容易发生过烧。

•如何防止过烧？

–使激光束的前进速度快于热传导速度，切割加工完成早于附近材料被加热至高温，可有效防止过烧。

–采用脉冲的加工方式（占空比的调节）。

过烧：速度的比拼

•经验：

–6mm以下碳钢，切割速度大于2m/min，尖角过烧发生较少。

–采用脉冲激光。

–尖角改为圆角。

–辅助气体改用氮气或空气，不会产生氧化燃烧反应，也可大大降低过烧发生。

材料表面对加工的影响

•氧化皮对激光切割有重要的意义：生锈会直接影响激光的吸收率，产生热量会大不相同。

•生锈均匀的材料，对激光的吸收均匀，容易获得良好的加工质量。

•解决方法：预加工。先设定较低的激光功率，升高焦点位置，沿加工线路均匀熔化加工物表面。

总结

•激光加工质量的好坏不仅仅与激光器的性能有关。

•激光加工质量是多个参数之间平衡的结果，需要现场工程师对多个参数进行调节，以获得最佳的加工效果。

•工程师需要不断摸索和总结适合我司激光器的加工工艺参数，加强相互交流，以更好的向客户推广我司产品。

深圳市创鑫激光技术有限公司