高功率激光器切割工艺应用解析

来源:国际工业激光商情

发布时间:2020年4月21日下午 10:04:54

目前,随着激光技术的不断发展,连续激光器功率的不断提升,激光加工市场正在不断成熟扩大,激光技术越来越多地出现在“寻常百姓家”,如今越来越多的企业开始使用高功率连续激光器进行生产。以往4kW、6kW便可以定义为高功率激光器,现在,激光器的功率已经可以达到了12kW、15kW甚至更高,实现大幅度的技术突破,为板材加工市场带来又一次的技术突破。
目前,随着激光技术的不断发展,连续激光器功率的不断提升,激光加工市场正在不断成熟扩大,激光技术越来越多地出现在“寻常百姓家”,如今越来越多的企业开始使用高功率连续激光器进行生产。以往4kW、6kW便可以定义为高功率激光器,现在,激光器的功率已经可以达到了12kW、15kW甚至更高,实现大幅度的技术突破,为板材加工市场带来又一次的技术突破。
 
使用高功率激光器切割钣金,不仅拥有可以媲美传统加工行业的切割厚度,在使用氧气切割碳钢时,亮面厚度得提升的同时,速度更快、锥度更小。切割不锈钢中薄板时,使用高功率激光加工气压更小,速度也有大幅提高。与传统加工相比,激光由于其高效率、清洁性、灵活性,得到越来越多的青睐。
 
高功率激光器切割性能
 
碳钢作为生活中一种常见的材料,凭借自身强度高、耐磨性好、工艺性能优良等特性,广泛应用于轨道交通、建筑、桥梁、工程机械、电气制造、车辆等行业。在金属加工中,激光切割碳钢更是占据着十分重要的地位;通常在进行铁板、低碳钢等板材加工时,因其含碳量较低,燃点低于熔点,常用氧气进行切割,在低功率激光器切割中,常用氧气作为辅助气体进行助燃,切割激光器功率本身不足以切割的厚度;在高功率激光器切割中,氧气作为辅助气体,通过使用不同功率配合不同厚度板材切割,以获取光滑平整的切割断面;在高功率激光切割中,亮面切割技术是一种能将碳钢板材切割断面切至光亮的工艺,提高了切割效率,减小了工件锥度;但目前来说,板材过薄或过厚都无法实现切割亮面。由下图可见,使用高功率激光切割16mm-30mm厚度的板材效果良好。
 
15kW碳钢高速亮面切割
 
 
         16-18mm 碳钢                                                                 25mm 碳钢                                                                                     30mm 碳钢
 
同样使用15kW激光器进行钣金切割,能够有效改善工件锥度。下图为:
 
 
传统降功率大喷嘴切割工艺双边锥度 0.4mm~1mm    万瓦满功率小喷嘴切割双边锥度≤ 0.2mm
 
目前市面上,切割各类板材超厚厚度,一般依赖于等离子切割、线切割、水刀切割等传统切割方法;而高功率激光器的问世,逐步实现了各类超厚板材的切割可能性,切割厚度从以往的25mm瓶颈,逐渐突破到40mm、60mm、80mm甚至更多;但就目前来说,在切割大于60mm厚度的材料上,穿孔和稳定切割,以及锥度大小的控制,是需要进一步攻克的问题。
 
15kW激光厚板切割技术应用实例
 
 
        50mm 碳钢                                                50mm 不锈钢
 
 
60mm 碳钢                                     60mm 不锈钢
 
 
80mm 碳钢                                               80mm 不锈钢
 
在使用较低激光功率进行氧气碳钢切割时,以往通常建议客户不要切割小于板材厚度的圆孔,通常建议等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍,难以满足更高精度更多样化的需求;在高功率激光切割中,随着切割、穿孔效率的提升,辅以合适的喷嘴,可以进行厚板小孔的加工,为多样化需求提供支持。并且,经过大量实践操作后,我们可以得出在使用高功率激光切割的前提下,无论使用氮气还是氧气切割,无论是碳钢还是不锈钢,效率都得到了大幅提升。
 
15kW碳钢小孔切割应用实例
 
 
                                                                                                                                                  16mm 低碳钢切割小孔                              25mm 低碳钢切割小孔
 
 
 
15kW vs. 12kW 氧气切割碳钢效率提升
 
 
15kW vs. 12kW 氮气不锈钢中薄板效率提升
 
 
15kW vs. 12kW 氮气切割碳钢中薄板效率提升
 
 
 
高功率激光器切割不良分析及建议
 
通常,影响切割质量的重要工艺参量有切割速度、激光功率、辅助气体、焦点位置、喷嘴特性及材料材质性能等。可见影响激光切割加工因素很多,如果控制不当或参量把握不准,其切割精度和切割质量将会受到很大的影响。
 
常见问题:
 
 
(1)氧气碳钢高功率小喷嘴高速亮面切割时,板材上层条纹及下层拖曳线均过于粗糙
 
可能原因:
 
【1】喷嘴选型错误:喷嘴选型过大;
 
【2】气压进给错误:切割气压过大引起过烧;
 
【3】切割速度不匹配:切割速度过慢引起过烧或过快导致切割不充分。
 
解决方案:
 
【1】更换喷嘴:更换小口径合适喷嘴,举例16mm碳钢亮面切割使用1.4D喷嘴,20mm碳钢亮面切割使用1.6D喷嘴等;
 
【2】减小切割气压:减少气压改善切割断面质量,一般亮面切割气压需求在0.6~0.8Bar之间;
 
【3】匹配切割速度:将切割速度调整至当前功率合适的范围。
 
(2)板材上层条纹略显粗糙,有轻微或较深牙口,下层拖曳线较好
 
 
可能原因:
 
【1】喷嘴选型错误:喷嘴选型过大;
 
【2】离焦量不匹配:考虑继续增加正向离焦;
 
【3】切割速度不匹配:切割速度较慢。
 
解决方案:
 
【1】更换喷嘴:若要达到断面上下全亮,考虑更换小一号口径喷嘴,例如1.6D更换为1.4D;
 
【2】增加正向离焦:喷嘴口径不变的情况下,继续增加正向离焦;
 
【3】匹配切割速度:将切割速度调整至当前功率合适的范围。
 
(3)板材断面上层条纹良好,但底部挂渣且影响断面效果
 
 
可能原因:
 
【1】离焦量不匹配:正向离焦过大,导致能量不集中形成滞后拖尾;
 
【2】气压进给错误:气压过小导致切割拖尾形成拖曳线滞后产生挂渣;
 
【3】切割速度不匹配:切割速度过快导致滞后。
 
解决方案:
 
【1】减小正向离焦:适当减小正向离焦,其余参数不变,观察底部挂渣情况;
 
【2】增加气压:适当增加进给气压,可尝试最多增加至1Bar左右,观察情况;
 
【3】匹配切割速度:将切割速度调整至当前功率合适的范围。
 
进行氮气不锈钢切割时,部分常见问题:
 
(1)不锈钢中薄板切割时遇到分层现象,切割断面粗糙。
 
 
可能原因:
 
【1】离焦量不匹配:负向离焦量过大,导致产生等离子体,产生蓝光并分层;
 
【2】喷嘴选型错误:喷嘴口径过小;
 
【3】气压进给错误:气压进给过大。
 
解决方案:
 
【1】减小负向离焦:减小负向离焦,其余参数不变,观察现象;
 
【2】更换大口径喷嘴:更换大一号口径的喷嘴;
 
【3】减小气压:适当减小气压进给。
 
(2)不锈钢中厚板切割时遇到未充分切割情况,切割断面未到达板材底部;
 
 
可能原因:
 
【1】喷嘴选型错误:喷嘴选择过小;
 
【2】离焦量不匹配:考虑继续增加负向离焦;
 
【3】气压不够:气体压力不够,导致未充分切割。
 
 
解决方案:
 
【1】更换喷嘴:更换更大口径喷嘴,增加气体流量;
 
【2】增加负向离焦:继续增加负向离焦,使切割断面到达底部;
 
【3】增加气压:继续增加气压。
 
(3)不锈钢厚板切割遇到分层现象,调整气压大小和正负离焦量效果均不明显
 
可能原因:
 
【1】能量过于集中:在速度无法得到提升的情况下,激光器能量过于集中,与材料间反应过于剧烈;
 
【2】喷嘴选型错误:喷嘴选型口径过小,导致流量过小。
 
解决方案:
 
【1】调整频率占空比:保证峰值功率不变的情况下,适当降低频率和占空比,举例50mm不锈钢切割时,速度无法增加的情况下,考虑将频率调整至200HZ左右,占空比在55~65%之前,可得到较好切割效果;
 
【2】更换喷嘴:更换更大口径喷嘴,提高气体流量。
 
总结
 
相较于一般的中小功率激光器而言,高功率激光切割因其功率高,可以切割的厚度的板材和处理的工件更多,应用范围更加广泛,所以可以广泛应用在钢铁、冶金、工业制造、船舶、航空航天、铁路等大型工程建设中。随着激光技术的不断发展,光束质量的提高,相信未来激光切割能在更大的厚度上一展拳脚。
 
 
 
 
 
作者:王珂,武汉锐科光纤激光技术股份有限公司,激光应用工艺工程师

 

 

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