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(chǎng)正在不斷成熟擴(kuò)大,激光技術(shù)越來(lái)越多地出現(xiàn)在“尋常百姓家”,如今越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)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(chǎng)帶來(lái)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(lái)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(jiàn)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(chē)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(guò)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(lái)說(shuō),板材過(guò)薄或過(guò)厚都無(wú)法實(shí)現(xiàn)切割亮面。由下圖可見(jiàn),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(wàn)瓦滿(mǎn)功率小噴嘴切割雙邊錐度≤ 0.2mm
目前市面上,切割各類(lèi)板材超厚厚度,一般依賴(lài)于等離子切割、線(xiàn)切割、水刀切割等傳統(tǒng)切割方法;而高功率激光器的問(wèn)世,逐步實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)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(lái)說(shuō),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(wèn)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(hù)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(mǎn)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(guò)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(wú)論使用氮?dú)膺€是氧氣切割,無(wú)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?/em>
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?jiàn)影響激光切割加工因素很多,如果控制不當(dāng)或參量把握不準(zhǔn),其切割精度和切割質(zhì)量將會(huì)受到很大的影響。
常見(jiàn)問(wèn)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(xiàn)均過(guò)于粗糙
可能原因:
【1】噴嘴選型錯(cuò)誤:噴嘴選型過(guò)大;
【2】氣壓進(jìn)給錯(cuò)誤:切割氣壓過(guò)大引起過(guò)燒;
【3】切割速度不匹配:切割速度過(guò)慢引起過(guò)燒或過(guò)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(xiàn)較好
可能原因:
【1】噴嘴選型錯(cuò)誤:噴嘴選型過(guò)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(hào)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(guò)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(guò)小導(dǎo)致切割拖尾形成拖曳線(xiàn)滯后產(chǎn)生掛渣;
【3】切割速度不匹配:切割速度過(guò)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(guān)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(guān)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(jiàn)問(wèn)題:
(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(guò)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(guò)??;
【3】氣壓進(jìn)給錯(cuò)誤:氣壓進(jìn)給過(guò)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(guān)察現(xiàn)象;
【2】更換大口徑噴嘴:更換大一號(hào)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(guò)?。?/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(guò)于集中:在速度無(wú)法得到提升的情況下,激光器能量過(guò)于集中,與材料間反應(yīng)過(guò)于劇烈;
【2】噴嘴選型錯(cuò)誤:噴嘴選型口徑過(guò)小,導(dǎo)致流量過(guò)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(wú)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(lái)激光切割能在更大的厚度上一展拳腳。
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