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高功率激光器切割工艺应用解析

   2020-05-06 数控刀具网6570
核心提示: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,
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?高功率激光器切割工艺应用解析?高功率激光器切割工艺应用解析? ? ? ? ?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:?高功率激光器切割工艺应用解析?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?高功率激光器切割工艺应用解析?? ? ? ? 50mm 碳钢? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 50mm 不锈钢?高功率激光器切割工艺应用解析?60mm 碳钢? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?60mm 不锈钢?高功率激光器切割工艺应用解析?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?高功率激光器切割工艺应用解析?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 16mm 低碳钢切割小孔? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 25mm 低碳钢切割小孔?高功率激光器切割工艺应用解析?高功率激光器切割工艺应用解析?15kW vs. 12kW 氧气切割碳钢效率提升?高功率激光器切割工艺应用解析?15kW vs. 12kW 氮气不锈钢中薄板效率提升?高功率激光器切割工艺应用解析?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:?高功率激光器切割工艺应用解析?(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?高功率激光器切割工艺应用解析?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?高功率激光器切割工艺应用解析?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。?高功率激光器切割工艺应用解析?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;?高功率激光器切割工艺应用解析?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。?高功率激光器切割工艺应用解析?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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