高功率激光器切割工藝應(yīng)用解析

目前，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，連續(xù)激光器功率的不斷提升，激光加工市場正在不斷成熟擴(kuò)大，激光技術(shù)越來越多地出現(xiàn)在“尋常百姓家”，如今越來越多的企業(yè)開始使用高功率連續(xù)激光器進(jìn)行生產(chǎn)。以往4kW、6kW便可以定義為高功率激光器，現(xiàn)在，激光器的功率已經(jīng)可以達(dá)到了12kW、15kW甚至更高，實(shí)現(xiàn)大幅度的技術(shù)突破，為板材加工市場帶來又一次的技術(shù)突破。

使用高功率激光器切割鈑金，不僅擁有可以媲美傳統(tǒng)加工行業(yè)的切割厚度，在使用氧氣切割碳鋼時(shí)，亮面厚度得提升的同時(shí)，速度更快、錐度更小。切割不銹鋼中薄板時(shí)，使用高功率激光加工氣壓更小，速度也有大幅提高。與傳統(tǒng)加工相比，激光由于其高效率、清潔性、靈活性，得到越來越多的青睞。

高功率激光器切割性能

碳鋼作為生活中一種常見的材料，憑借自身強(qiáng)度高、耐磨性好、工藝性能優(yōu)良等特性，廣泛應(yīng)用于軌道交通、建筑、橋梁、工程機(jī)械、電氣制造、車輛等行業(yè)。在金屬加工中，激光切割碳鋼更是占據(jù)著十分重要的地位；通常在進(jìn)行鐵板、低碳鋼等板材加工時(shí)，因其含碳量較低，燃點(diǎn)低于熔點(diǎn)，常用氧氣進(jìn)行切割，在低功率激光器切割中，常用氧氣作為輔助氣體進(jìn)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，氧氣作為輔助氣體，通過使用不同功率配合不同厚度板材切割，以獲取光滑平整的切割斷面；在高功率激光切割中，亮面切割技術(shù)是一種能將碳鋼板材切割斷面切至光亮的工藝，提高了切割效率，減小了工件錐度；但目前來說，板材過薄或過厚都無法實(shí)現(xiàn)切割亮面。由下圖可見，使用高功率激光切割16mm-30mm厚度的板材效果良好。

15kW碳鋼高速亮面切割

16-18mm 碳鋼 25mm 碳鋼 30mm 碳鋼

同樣使用15kW激光器進(jìn)行鈑金切割，能夠有效改善工件錐度。下圖為：

傳統(tǒng)降功率大噴嘴切割工藝雙邊錐度 0.4mm~1mm 萬瓦滿功率小噴嘴切割雙邊錐度≤ 0.2mm

目前市面上，切割各類板材超厚厚度，一般依賴于等離子切割、線切割、水刀切割等傳統(tǒng)切割方法；而高功率激光器的問世，逐步實(shí)現(xiàn)了各類超厚板材的切割可能性，切割厚度從以往的25mm瓶頸，逐漸突破到40mm、60mm、80mm甚至更多；但就目前來說，在切割大于60mm厚度的材料上，穿孔和穩(wěn)定切割，以及錐度大小的控制，是需要進(jìn)一步攻克的問題。

15kW激光厚板切割技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

50mm 碳鋼 50mm 不銹鋼

60mm 碳鋼 60mm 不銹鋼

80mm 碳鋼 80mm 不銹鋼

在使用較低激光功率進(jìn)行氧氣碳鋼切割時(shí)，以往通常建議客戶不要切割小于板材厚度的圓孔，通常建議等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，難以滿足更高精度更多樣化的需求；在高功率激光切割中，隨著切割、穿孔效率的提升，輔以合適的噴嘴，可以進(jìn)行厚板小孔的加工，為多樣化需求提供支持。并且，經(jīng)過大量實(shí)踐操作后，我們可以得出在使用高功率激光切割的前提下，無論使用氮?dú)膺€是氧氣切割，無論是碳鋼還是不銹鋼，效率都得到了大幅提升。

15kW碳鋼小孔切割應(yīng)用實(shí)例

16mm 低碳鋼切割小孔 25mm 低碳鋼切割小孔

15kW vs. 12kW 氧氣切割碳鋼效率提升

15kW vs. 12kW 氮?dú)獠讳P鋼中薄板效率提升

15kW vs. 12kW 氮?dú)馇懈钐间撝斜“逍侍嵘?/p>

高功率激光器切割不良分析及建議

通常，影響切割質(zhì)量的重要工藝參量有切割速度、激光功率、輔助氣體、焦點(diǎn)位置、噴嘴特性及材料材質(zhì)性能等?？梢娪绊懠す馇懈罴庸ひ蛩睾芏啵绻刂撇划?dāng)或參量把握不準(zhǔn)，其切割精度和切割質(zhì)量將會受到很大的影響。

常見問題：

（1）氧氣碳鋼高功率小噴嘴高速亮面切割時(shí)，板材上層條紋及下層拖曳線均過于粗糙

可能原因：

【1】噴嘴選型錯(cuò)誤：噴嘴選型過大；

【2】氣壓進(jìn)給錯(cuò)誤：切割氣壓過大引起過燒；

【3】切割速度不匹配：切割速度過慢引起過燒或過快導(dǎo)致切割不充分。

解決方案：

【1】更換噴嘴：更換小口徑合適噴嘴，舉例16mm碳鋼亮面切割使用1.4D噴嘴，20mm碳鋼亮面切割使用1.6D噴嘴等；

【2】減小切割氣壓：減少氣壓改善切割斷面質(zhì)量，一般亮面切割氣壓需求在0.6~0.8Bar之間；

【3】匹配切割速度：將切割速度調(diào)整至當(dāng)前功率合適的范圍。

（2）板材上層條紋略顯粗糙，有輕微或較深牙口，下層拖曳線較好

可能原因：

【1】噴嘴選型錯(cuò)誤：噴嘴選型過大；

【2】離焦量不匹配：考慮繼續(xù)增加正向離焦；

【3】切割速度不匹配：切割速度較慢。

解決方案：

【1】更換噴嘴：若要達(dá)到斷面上下全亮，考慮更換小一號口徑噴嘴，例如1.6D更換為1.4D；

【2】增加正向離焦：噴嘴口徑不變的情況下，繼續(xù)增加正向離焦；

【3】匹配切割速度：將切割速度調(diào)整至當(dāng)前功率合適的范圍。

（3）板材斷面上層條紋良好，但底部掛渣且影響斷面效果

可能原因：

【1】離焦量不匹配：正向離焦過大，導(dǎo)致能量不集中形成滯后拖尾；

【2】氣壓進(jìn)給錯(cuò)誤：氣壓過小導(dǎo)致切割拖尾形成拖曳線滯后產(chǎn)生掛渣；

【3】切割速度不匹配：切割速度過快導(dǎo)致滯后。

解決方案：

【1】減小正向離焦：適當(dāng)減小正向離焦，其余參數(shù)不變，觀察底部掛渣情況；

【2】增加氣壓：適當(dāng)增加進(jìn)給氣壓，可嘗試最多增加至1Bar左右，觀察情況；

【3】匹配切割速度：將切割速度調(diào)整至當(dāng)前功率合適的范圍。

進(jìn)行氮?dú)獠讳P鋼切割時(shí)，部分常見問題：光纖激光切割機(jī) www.6618cnc.com

（1）不銹鋼中薄板切割時(shí)遇到分層現(xiàn)象，切割斷面粗糙。

可能原因：

【1】離焦量不匹配：負(fù)向離焦量過大,導(dǎo)致產(chǎn)生等離子體，產(chǎn)生藍(lán)光并分層；

【2】噴嘴選型錯(cuò)誤：噴嘴口徑過?。?/p>

【3】氣壓進(jìn)給錯(cuò)誤：氣壓進(jìn)給過大。

解決方案：

【1】減小負(fù)向離焦：減小負(fù)向離焦，其余參數(shù)不變，觀察現(xiàn)象；

【2】更換大口徑噴嘴：更換大一號口徑的噴嘴；

【3】減小氣壓：適當(dāng)減小氣壓進(jìn)給。

（2）不銹鋼中厚板切割時(shí)遇到未充分切割情況，切割斷面未到達(dá)板材底部；

可能原因：

【1】噴嘴選型錯(cuò)誤：噴嘴選擇過?。?/p>

【2】離焦量不匹配：考慮繼續(xù)增加負(fù)向離焦；

【3】氣壓不夠：氣體壓力不夠，導(dǎo)致未充分切割。

解決方案：

【1】更換噴嘴：更換更大口徑噴嘴，增加氣體流量；

【2】增加負(fù)向離焦：繼續(xù)增加負(fù)向離焦，使切割斷面到達(dá)底部；

【3】增加氣壓：繼續(xù)增加氣壓。

（3）不銹鋼厚板切割遇到分層現(xiàn)象，調(diào)整氣壓大小和正負(fù)離焦量效果均不明顯

可能原因：

【1】能量過于集中：在速度無法得到提升的情況下，激光器能量過于集中，與材料間反應(yīng)過于劇烈；

【2】噴嘴選型錯(cuò)誤：噴嘴選型口徑過小，導(dǎo)致流量過小。

解決方案：

【1】調(diào)整頻率占空比：保證峰值功率不變的情況下，適當(dāng)降低頻率和占空比，舉例50mm不銹鋼切割時(shí)，速度無法增加的情況下，考慮將頻率調(diào)整至200HZ左右，占空比在55~65%之前，可得到較好切割效果；

【2】更換噴嘴：更換更大口徑噴嘴，提高氣體流量。

總結(jié)

相較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處理的工件更多，應(yīng)用范圍更加廣泛，所以可以廣泛應(yīng)用在鋼鐵、冶金、工業(yè)制造、船舶、航空航天、鐵路等大型工程建設(shè)中。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，光束質(zhì)量的提高，相信未來激光切割能在更大的厚度上一展拳腳。

審核編輯 黃宇