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光纤激光切割机切割厚板难点分析

2019-10-09

大族超能板管一体激光切割机
大族超能板管一体激光切割机

光纤激光切割机具有许多的优点,光束质量好,体积小,重量轻,免维护,寿命长加工精度高、速度快; 电能转化效率高,可以实现智能化、自动化、柔性化操作等。基于上述的优点,其应用领域已经扩展到汽车制造、船舶制造和航空制造业等行业的金属材料切割。  

但在许多客户在厚板切割的时候仍然存在很多问题,首先,切割准稳态燃烧过程维持容易波动,导致切割困难。

随着大功率光纤激光器制造技术的快速发展及数控技术水平的不断提升,近几年光纤激光加工设备在金属板材切割的市场应用正在迅速扩展。根据市场反馈信息,以及板材的厚度、切割质量和切割设备的售价细分了钣金加工制作的市场应用群体,特别是该领域的中小企业用户迫切需要切割金属板材厚度范围,切割质量好的大功率光纤激光切割机成套加工设备。

光纤激光切割机切割厚板的难点

1.切缝过于窄小,造成热损失增大。切割速度的降低使得切割区域的热损失增加。热损失的主要形式是热传导,厚度越大,热传导损失越大,切割速度也越低。切口底部材料去除变得不一致,虽然激光穿透了厚板,大量的熔渣粘结在底部。挂渣的形成是因切口底部的平均切割温度低造成的,温度低又是因为能量损失大的缘故,这种情况下的切口质量通常不高。

2.光纤激光光斑直径较小,焦距深度有限。光纤激光切割金属中厚板材时,尽管能够维持切深内有较高的激光功率密度,但由于光束直径较小,切缝较细,故不利于切割排渣。这就对光纤激光的模式和光斑束散准直整形及范围提出了更高的要求,也为光纤激光切割金属中厚板材的工艺质量带来了较大的难度。

3.辅助气体质量和气压的作用和影响。以氧气为例;光纤激光切割碳钢中厚板材时氧气起了非诚重要的作用。激光入射到工件表面形成小孔,当激光束沿着切割方向移动时,小孔及切缝周围有氧化融化物。氧气的纯度和压力对激光切割有很大的影响,含杂质多的,气压不合适的氧气就不能提供足够的能量到切口底部形成高流动性的融化物,因而降低了切割质量和切割速度。通过测量不同切缝位置的辅助气体的质量和压力,发现切缝越窄,辅助气体的作用就越差,切割质量就越难维持,因此保证合适的切缝宽度、辅助气体质量及气压控制,对切割质量的效果是很重的。

4.几何形状的差异使得拐点切割质量下降。激光切割厚板时,熔化前沿的倾角变得突出了,这将导致材料对激光吸收系数的降低,进而通过增加切割功率、降低切割速度保证切割质量。

光纤激光切割机以其高光点转化率、高切割精度、柔性加工能力、良好的切割质量和适应性能,将会在切割领域得到更加广泛的应用。另外,通过不断研究高性能的光纤激光器,开发先进的光学切割方法及配套装置,寻找各种切割状态下最佳的切割参数,来提高切割安全性,将会给光纤激光切割带来更加广泛的应用,真正实现高效、节能、精密的切割。

激光切割机对于10mm厚以下钢板的切割已不成问题。但如果要切割更厚的钢板, 往往要求助于输出功率超过5kW的高功率激光器, 而且切割质量也明显下降。由于高功率激光器设备成本昂贵, 其输出的激光模式也不利于激光切割, 所以传统激光切割方法在切割厚板时,不具备优势。金属切割厚板的存在以下技术难点:

1、准稳态燃烧过程维持比较困难。金属激光切割机实际切割过程中,能切透的板厚是有限的,这与切割前沿铁不能稳定燃烧密切相关。燃烧过程要能持续进行,切缝顶部的温度必须达到燃点。单独靠铁氧燃烧反应释放的能量,实际上不能确保燃烧过程持续进行。一方面,是由于切缝被喷嘴喷出的氧流连续冷却,降低了切割前沿的温度:另一方面,燃烧形成的氧化亚铁层覆盖在工件表面,阻碍氧的扩散,当氧的浓度降低到一定程度时,燃烧过程将会熄灭。采用传统会聚性光束进行激光切割时,激光束作用于表面的区域很小,由于激光功率密度很高,所以不仅仅在激光辐射的区域,工件表面温度达到了燃点,而且由于热传导,一个更宽的区域达到了燃点温度。而氧流作用于工件表面的直径要比激光束直径要大。这表明不仅在激光辐射区域, 要发生强烈地燃烧反应,而且在激光束照射的光斑外围也要同时发生燃烧。厚板切割时,切割速度相当慢,工件表面铁氧燃烧的速度要比切割头行进的速度快。燃烧持续一段时间后,由于氧的浓度下降,而导致燃烧过程熄灭。只有当切割头行进到该位置时,燃烧反应又重新开始。切割前沿的燃烧过程是周期性地进行,这样就会导致切割前沿的温度波动,切口质量变差。

2、板厚方向氧纯度和压力难以维持恒定。金属激光切割机厚板切割时,氧纯度下降也是影响切口质量的重要因素。氧流的纯度对切割过程有强烈影响。当氧流纯度下降0. 9%,铁氧燃烧率将下降10%;纯度下降5%时,燃烧率将下降37%。燃烧率下降将大大减少了燃烧过程输入到切缝中的能量,降低了切割速度,同时切割面液态层中铁的含量增加,从而增大到熔渣的粘性,导致熔渣排出困难,这样在切口下部就会出现严重的挂渣,使切口质量变得难以接受。为了保持切割稳定进行,要求在板厚方向切割氧流的纯度及压力要基本保持恒定。传统激光切割工艺中,常常使用普通锥形喷嘴,这种喷嘴在薄板切割中能满足使用要求。但在切割厚板时,随着供气压力增大,喷嘴的流场中容易形成激波,激波对切割过程有许多危害,降低氧流的纯度,影响切口质量。

解决这个问题一般有三种办法:

(1)在切割氧流周围添加预热火焰

(2)在切割氧流周围添加辅助氧流

(3)合理设计喷嘴内壁, 改善气流流场特征。