激光切割質(zhì)量控制(編輯修改稿)
2025-08-03 14:51 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 工溝內(nèi)的加工氣體及熔融金屬的流動(dòng)。 由于能量密度與4/πd2（d為焦點(diǎn)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(shí)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″～″（127～190 mm）的焦距，～ mm 之間。因此控制焦點(diǎn)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(diǎn)位置在表面；厚度6 mm 的碳鋼，焦點(diǎn)位置在表面之上；在切割不銹鋼板時(shí)，焦點(diǎn)位置一般取在表面以下。通常切割厚度為4 mm 以下材料時(shí)，選用5″聚焦鏡。飛行光路切割機(jī)切割近端和遠(yuǎn)端時(shí)光程長(zhǎng)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(diǎn)光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來(lái)的焦點(diǎn)光斑尺寸的變化，可安裝光路補(bǔ)償系統(tǒng)，以保持近端和遠(yuǎn)端的光程不變。激光束通過(guò)聚焦透鏡，如圖8所示。圖8 光束通過(guò)透鏡后形成的焦點(diǎn)光斑直徑由下式計(jì)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(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量影響的另一個(gè)因素是聚焦深度，其計(jì)算公式為： （3）由以上分析知，在不出現(xiàn)沾渣的情況下，焦點(diǎn)位置越靠近鋼板中部，切割面越平滑。焦點(diǎn)位置的選取對(duì)不銹鋼板切割質(zhì)量有重要影響。當(dāng)焦點(diǎn)位置合適時(shí)，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(wú)沾渣的切縫，如下圖（a）所示；當(dāng)焦點(diǎn)位置滯后時(shí)，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(diǎn)位置超前時(shí)，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(dòng)狀，這時(shí)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(guò)程中可以通過(guò)觀察沾渣形態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置，保證切割質(zhì)量。 (a)無(wú)沾渣 (b)尖銳且短小沾渣 (c)球狀沾渣 圖9 焦點(diǎn)位置對(duì)沾渣的影響 焦點(diǎn)位置合適 焦點(diǎn)位置偏小 焦點(diǎn)位置偏大圖10 不同焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響在實(shí)際生產(chǎn)中，要求激光切割不銹鋼板焦點(diǎn)選取在材料表面或表面以下。這正是因?yàn)閿U(kuò)大切割溝上部寬度，提高氣體及熔融物的流動(dòng)性，并使平滑面范圍擴(kuò)大，提高切割質(zhì)量。在切割過(guò)程中，對(duì)不同厚度的鋼板，焦點(diǎn)位置并沒有一個(gè)確定的值，當(dāng)焦點(diǎn)位置取在鋼板表面或表面以上時(shí)，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(shí)，焦點(diǎn)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(dòng)性，保證了下部有足夠的能量密度，使平滑面范圍擴(kuò)大。具體數(shù)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。六、 輔助氣體（種類和壓力）對(duì)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，2MPa以上為高壓。通常，輔助氣體與激光束同軸噴出，可以保護(hù)聚焦透鏡不被污染的同時(shí)，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?dú)夂涂諝?，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(jìn)行高效率的切割，但同時(shí)會(huì)在切割面上產(chǎn)生氧化膜；氮?dú)庵饕糜诓讳P鋼板的無(wú)氧化切割、鍍鋅板的無(wú)沾渣切割；空氣主要用于鋁和鍍鋅鋼板的無(wú)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(shí)噴嘴出口氣壓條件如下表所示：
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