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激光切割質(zhì)量受哪些外在因素影響
來源：gzlaiyou.cn 發(fā)布時(shí)間：2023年01月06日
一，切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響
對(duì)于給定的激光功率密度和材料，切割速度符合經(jīng)驗(yàn)式。只要材料的切割速度與通閾值以上的激光功率密度成正比，即增加功率密度可以提高切割速度。這里所說的功率密度不僅與激光輸出功率有關(guān)，還與光束質(zhì)量模式有關(guān)。此外，光束聚焦系統(tǒng)的特點(diǎn)，即聚焦后的光斑大小，對(duì)激光切割也有很大影響。
切割速度與被切割材料的密度(比重)和厚度成反比。
如果其它參數(shù)保持不變，提高切割速度的因素是：提高功率(在一定范圍內(nèi)，例如500~2000。W);改進(jìn)光束模式(例如從高階模到低階模TEM00);減小聚焦光斑尺寸(如短焦透鏡聚焦);切割低起蒸發(fā)能的材料(如塑料、有機(jī)玻璃等);切割低密度材料(如白松木等);切割薄材料。
特別是對(duì)于金屬材料來說，激光切割速度可以在其他工藝變量保持恒定的情況下有一個(gè)相對(duì)的調(diào)節(jié)范圍，仍然可以保持滿意的切割質(zhì)量。這種調(diào)節(jié)范圍在切割薄金屬時(shí)略寬于厚零件。有時(shí)，切割速度慢也會(huì)導(dǎo)致熱熔材料的腐蝕表面排出，使切割表面非常粗糙。
第二，調(diào)整焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響
由于激光功率密度對(duì)切割速度的影響很大，鏡頭焦長度的選擇是一個(gè)重要問題。激光束聚焦后，光斑大小與鏡頭焦長成正比。光束經(jīng)短焦長鏡頭聚焦后，光斑大小小，聚焦處功率密度高，有利于材料切割;但其缺點(diǎn)是焦深短，調(diào)節(jié)余量小，一般適用于高速切割薄材料。由于長焦長鏡頭焦深較寬，只要功率密度足夠，更適合切割厚工件。
焦點(diǎn)和工件表面的相對(duì)位置在確定使用什么樣的焦長鏡頭后，確保切割質(zhì)量尤為重要。由于焦點(diǎn)處的功率密度高，在大多數(shù)情況下，焦點(diǎn)位置剛好在工件表面或略低于表面。在整個(gè)切割過程中，確保焦點(diǎn)和工件的相對(duì)位置恒定是獲得穩(wěn)定切割質(zhì)量的重要條件。有時(shí)，鏡頭工作中由于冷卻不良而受熱，導(dǎo)致焦長變化，因此需要及時(shí)調(diào)整焦點(diǎn)位置。
在佳位置，切縫小，效率高，切割速度可以得到切割效果。
多數(shù)情況下，光束焦點(diǎn)調(diào)整到剛剛處于噴嘴下面。噴嘴與工件表面的距離一般為1。.5mm左右。
第三，輔助氣壓對(duì)切割質(zhì)量的影響
一般來說，輔助氣體需要用于切割材料，主要涉及輔助氣體的類型和壓力。通常輔助氣體與激光束同軸噴射，保護(hù)鏡頭免受污染，吹走切割區(qū)底部的熔渣。對(duì)于非金屬材料和一些金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，去除熔化和蒸發(fā)材料，抑制切割區(qū)域過度燃燒
活性氣體用于大多數(shù)金屬激光切割(只要是O二是與熾熱金屬發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，這種附加熱量可以提高1/3~1/2的切割速度。
在保證輔助氣體的前提下，氣體壓力是一個(gè)重要的因素。當(dāng)薄材料高速切割時(shí)，需要更高的氣體壓力來防止切口背面的粘渣(熱粘渣在工件上也會(huì)損壞切邊)。當(dāng)材料厚度增加或切割速度緩慢時(shí)，氣體壓力應(yīng)適當(dāng)降低。為了防止塑料切邊霜化，用較低的氣壓切割。
激光器切割實(shí)踐表明，當(dāng)輔助氣體為O二是其純度對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響。O2純度降低2%會(huì)降低50%的切割速度，導(dǎo)致切口質(zhì)量明顯惡化。
第四，激光輸出功率對(duì)切割質(zhì)量的影響
對(duì)于連續(xù)波輸出的激光器，激光功率的大小和模式會(huì)對(duì)切割產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際操作中，為了獲得更高的切割速度，或者切割更厚的材料，往往會(huì)設(shè)置大功率。然而，光束模式(光束能量在橫截面上的分布)有時(shí)更為重要。此外，當(dāng)輸出功率增加時(shí)，模式往往略有惡化。經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)，在大功率以下的焦點(diǎn)中獲得大功率密度，獲得切割質(zhì)量。在激光器的整個(gè)有效工作壽命期間，模式是不一致的。光學(xué)元件的情況，激光工作混合氣體的微小變化。
綜上所述，雖然影響激光切割的因素比較復(fù)雜，但切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力、激光功率和模式結(jié)構(gòu)是四個(gè)重要的變量。在切割過程中，如果發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量明顯惡化，首先要檢查上述因素，及時(shí)調(diào)整。
五.切割質(zhì)量對(duì)工件特性的影響
以下因素對(duì)激光切割質(zhì)量甚至能否切割影響大：
材料表面反射率
對(duì)CO210激光發(fā)射的10.6mm就遠(yuǎn)紅外線光束而言，非金屬材料對(duì)其吸收較好，即吸收率高，而面金屬材料對(duì)10。.6mm光束吸收較差，尤其是高反射率的金。.銀.銅和鋁金屬等，一般不適合使用這種材料。CO2激光束，尤其是連續(xù)波光束切割。.對(duì)于銅金屬來說，要形成足夠的啟動(dòng)功率一般需要3kW上述，為了獲得穿透效果所需的初始小孔。
黑金屬鋼材料及鎳.鈦等對(duì)10.6mm的CO2光束具有一定的吸收率，尤其是當(dāng)材料表面被加熱到一定溫度或氧化膜時(shí)，其吸收率會(huì)大大提高，從而獲得更好的切割效果。
對(duì)于不透明材料，吸收率=(1-反射率)，與材料表面狀態(tài)相同。.與溫度和波長有關(guān)。
在加熱初期，材料對(duì)光束的吸收率起著重要作用，但是一旦在工件內(nèi)部形成小孔，小孔的黑體效應(yīng)使材料對(duì)光束的吸收率接近100%。
材料的表面狀態(tài)
材料的表面狀態(tài)直接影響光束的吸收，特別是表面粗糙度和表面氧化層會(huì)引起表面吸收率的顯著變化。在激光切割實(shí)踐中，有時(shí)可以利用材料表面狀態(tài)對(duì)光束吸收率的影響來提高材料的切割性能。
六.其它因素對(duì)切割質(zhì)量的影響
割炬和噴嘴的影響
在切割過程中，尤其是噴嘴的設(shè)計(jì)和制造對(duì)切割質(zhì)量有重要影響。
如果噴嘴選擇不當(dāng)或維護(hù)不當(dāng)，很容易造成污染或損壞，或者由于噴嘴的圓度差或熱金屬飛濺造成的局部堵塞，會(huì)在噴嘴中形成渦流，導(dǎo)致切割性能明顯惡化。有時(shí)噴嘴與聚焦光束不同軸，形成光束切割噴嘴邊緣，也會(huì)影響切割質(zhì)量，增加切割寬度，使切割尺寸錯(cuò)位。
對(duì)于噴嘴，要特別注意兩個(gè)問題。
(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口的大小對(duì)切割速度有一定的影響，噴嘴口的大小也影響出口處的壓力分布。隨著噴嘴直徑的增加，由于噴氣流對(duì)切割區(qū)母材的強(qiáng)烈冷卻作用，熱影響區(qū)域變窄，但也會(huì)導(dǎo)致切縫過寬，噴嘴尺寸難以準(zhǔn)直。噴嘴有被光束切割的危險(xiǎn)。而且如果切縫太窄，會(huì)阻礙高切割速度下熔渣的順利排出。
(2)噴嘴與工件表面間距的影響。噴嘴與工件之間的距離直接影響噴嘴氣流與工件切縫之間的耦合。噴嘴離工件表面太近，會(huì)對(duì)透鏡產(chǎn)生強(qiáng)烈的返回壓力，削弱飛濺切割產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)散能力，不利于切割質(zhì)量。但是，如果距離太遠(yuǎn)，會(huì)造成不必要的動(dòng)能損失，不利于有效切割。一般來說，噴嘴與工件之間的距離應(yīng)控制在1~2。mm現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)的割炬配備電感或電容式傳感器反饋裝置，以自動(dòng)調(diào)節(jié)兩者之間的距離。
外部光路系統(tǒng)的影響
通過外光路系統(tǒng)的傳輸(包括反射和透射)，激光射出的原始光束以極高的功率密度準(zhǔn)確地照射到工件表面。
應(yīng)定期檢查外光路系統(tǒng)的光學(xué)元件.及時(shí)調(diào)整，確保切割炬在工件上方運(yùn)行時(shí)，光束正確傳輸?shù)界R頭中心，聚焦成小光點(diǎn)，高質(zhì)量切割工件。光學(xué)元件的任何位置一旦發(fā)生變化或污染，都會(huì)影響切割質(zhì)量，甚至導(dǎo)致切割無法進(jìn)行。
外光路鏡片被氣流中的雜質(zhì)污染，被切割區(qū)域的飛濺質(zhì)點(diǎn)粘合，或者鏡片冷卻不足，會(huì)使鏡片過熱，影響光束的能量傳遞。光路準(zhǔn)直度漂移導(dǎo)致嚴(yán)重后果，過熱鏡頭會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)失真，甚至危及鏡頭本身。
一旦光學(xué)元件被污染甚至粘在切割產(chǎn)品的小質(zhì)點(diǎn)上，清潔它們是一個(gè)重要的問題，經(jīng)常被忽視。以下是一些清潔要點(diǎn):
(1)鏡頭清洗:將鏡頭紙彎成幾折，用幾滴分析純丙酮浸泡;用浸濕的鏡頭紙輕輕擦拭鏡頭表面，注意不要用手指按壓鏡頭;重復(fù)幾次，直到鏡頭表面清潔。.鏡面上沒有污垢和殘留痕跡;用干空氣吹干;如有必要，用幾滴丙酮打濕的鏡頭紙卷成桿子，輕輕擦洗鏡片表面，去除重污點(diǎn)。
需要注意的是，丙酮容易從空氣中吸收水分，污染丙酮本身，所以要蓋上丙酮瓶，千萬不要把清洗過的丙酮液倒回新的丙酮瓶里。
(2)反射鏡鏡片的清洗:從鏡架上拆下鏡片;鏡面朝上，鏡頭紙放在鏡面上;在鏡頭紙上滴幾滴丙酮，輕輕拉動(dòng)鏡頭紙拉過鏡面;重復(fù)上述過程，直到鏡面清潔，鏡面上沒有污垢和污漬;然后把鏡頭放在鏡頭座上。
如果用鉬鏡作為反射鏡，可以用水(肥皂水或含洗滌劑的水)清洗鏡面，因?yàn)椴荒芡繉?，拋光后可以直接使用。但是其他表面有涂層的鏡片不能用水清洗，因?yàn)楹芏嗤繉尤苡谒R片會(huì)被破壞。
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對(duì)于給定的激光功率密度和材料，切割速度符合經(jīng)驗(yàn)式。只要材料的切割速度與通閾值以上的激光功率密度成正比，即增加功率密度可以提高切割速度。這里所說的功率密度不僅與激光輸出功率有關(guān)，還與光束質(zhì)量模式有關(guān)。此外，光束聚焦系統(tǒng)的特點(diǎn)，即聚焦后的光斑大小，對(duì)激光切割也有很大影響。
切割速度與被切割材料的密度(比重)和厚度成反比。
如果其它參數(shù)保持不變，提高切割速度的因素是：提高功率(在一定范圍內(nèi)，例如500~2000。W);改進(jìn)光束模式(例如從高階模到低階模TEM00);減小聚焦光斑尺寸(如短焦透鏡聚焦);切割低起蒸發(fā)能的材料(如塑料、有機(jī)玻璃等);切割低密度材料(如白松木等);切割薄材料。
特別是對(duì)于金屬材料來說，激光切割速度可以在其他工藝變量保持恒定的情況下有一個(gè)相對(duì)的調(diào)節(jié)范圍，仍然可以保持滿意的切割質(zhì)量。這種調(diào)節(jié)范圍在切割薄金屬時(shí)略寬于厚零件。有時(shí)，切割速度慢也會(huì)導(dǎo)致熱熔材料的腐蝕表面排出，使切割表面非常粗糙。
第二，調(diào)整焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響
由于激光功率密度對(duì)切割速度的影響很大，鏡頭焦長度的選擇是一個(gè)重要問題。激光束聚焦后，光斑大小與鏡頭焦長成正比。光束經(jīng)短焦長鏡頭聚焦后，光斑大小小，聚焦處功率密度高，有利于材料切割;但其缺點(diǎn)是焦深短，調(diào)節(jié)余量小，一般適用于高速切割薄材料。由于長焦長鏡頭焦深較寬，只要功率密度足夠，更適合切割厚工件。
焦點(diǎn)和工件表面的相對(duì)位置在確定使用什么樣的焦長鏡頭后，確保切割質(zhì)量尤為重要。由于焦點(diǎn)處的功率密度高，在大多數(shù)情況下，焦點(diǎn)位置剛好在工件表面或略低于表面。在整個(gè)切割過程中，確保焦點(diǎn)和工件的相對(duì)位置恒定是獲得穩(wěn)定切割質(zhì)量的重要條件。有時(shí)，鏡頭工作中由于冷卻不良而受熱，導(dǎo)致焦長變化，因此需要及時(shí)調(diào)整焦點(diǎn)位置。
在佳位置，切縫小，效率高，切割速度可以得到切割效果。
多數(shù)情況下，光束焦點(diǎn)調(diào)整到剛剛處于噴嘴下面。噴嘴與工件表面的距離一般為1。.5mm左右。
第三，輔助氣壓對(duì)切割質(zhì)量的影響
一般來說，輔助氣體需要用于切割材料，主要涉及輔助氣體的類型和壓力。通常輔助氣體與激光束同軸噴射，保護(hù)鏡頭免受污染，吹走切割區(qū)底部的熔渣。對(duì)于非金屬材料和一些金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，去除熔化和蒸發(fā)材料，抑制切割區(qū)域過度燃燒
活性氣體用于大多數(shù)金屬激光切割(只要是O二是與熾熱金屬發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，這種附加熱量可以提高1/3~1/2的切割速度。
在保證輔助氣體的前提下，氣體壓力是一個(gè)重要的因素。當(dāng)薄材料高速切割時(shí)，需要更高的氣體壓力來防止切口背面的粘渣(熱粘渣在工件上也會(huì)損壞切邊)。當(dāng)材料厚度增加或切割速度緩慢時(shí)，氣體壓力應(yīng)適當(dāng)降低。為了防止塑料切邊霜化，用較低的氣壓切割。
激光器切割實(shí)踐表明，當(dāng)輔助氣體為O二是其純度對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響。O2純度降低2%會(huì)降低50%的切割速度，導(dǎo)致切口質(zhì)量明顯惡化。
第四，激光輸出功率對(duì)切割質(zhì)量的影響
對(duì)于連續(xù)波輸出的激光器，激光功率的大小和模式會(huì)對(duì)切割產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際操作中，為了獲得更高的切割速度，或者切割更厚的材料，往往會(huì)設(shè)置大功率。然而，光束模式(光束能量在橫截面上的分布)有時(shí)更為重要。此外，當(dāng)輸出功率增加時(shí)，模式往往略有惡化。經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)，在大功率以下的焦點(diǎn)中獲得大功率密度，獲得切割質(zhì)量。在激光器的整個(gè)有效工作壽命期間，模式是不一致的。光學(xué)元件的情況，激光工作混合氣體的微小變化。
綜上所述，雖然影響激光切割的因素比較復(fù)雜，但切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力、激光功率和模式結(jié)構(gòu)是四個(gè)重要的變量。在切割過程中，如果發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量明顯惡化，首先要檢查上述因素，及時(shí)調(diào)整。
五.切割質(zhì)量對(duì)工件特性的影響
以下因素對(duì)激光切割質(zhì)量甚至能否切割影響大：
材料表面反射率
對(duì)CO210激光發(fā)射的10.6mm就遠(yuǎn)紅外線光束而言，非金屬材料對(duì)其吸收較好，即吸收率高，而面金屬材料對(duì)10。.6mm光束吸收較差，尤其是高反射率的金。.銀.銅和鋁金屬等，一般不適合使用這種材料。CO2激光束，尤其是連續(xù)波光束切割。.對(duì)于銅金屬來說，要形成足夠的啟動(dòng)功率一般需要3kW上述，為了獲得穿透效果所需的初始小孔。
黑金屬鋼材料及鎳.鈦等對(duì)10.6mm的CO2光束具有一定的吸收率，尤其是當(dāng)材料表面被加熱到一定溫度或氧化膜時(shí)，其吸收率會(huì)大大提高，從而獲得更好的切割效果。
對(duì)于不透明材料，吸收率=(1-反射率)，與材料表面狀態(tài)相同。.與溫度和波長有關(guān)。
在加熱初期，材料對(duì)光束的吸收率起著重要作用，但是一旦在工件內(nèi)部形成小孔，小孔的黑體效應(yīng)使材料對(duì)光束的吸收率接近100%。
材料的表面狀態(tài)
材料的表面狀態(tài)直接影響光束的吸收，特別是表面粗糙度和表面氧化層會(huì)引起表面吸收率的顯著變化。在激光切割實(shí)踐中，有時(shí)可以利用材料表面狀態(tài)對(duì)光束吸收率的影響來提高材料的切割性能。
六.其它因素對(duì)切割質(zhì)量的影響
割炬和噴嘴的影響
在切割過程中，尤其是噴嘴的設(shè)計(jì)和制造對(duì)切割質(zhì)量有重要影響。
如果噴嘴選擇不當(dāng)或維護(hù)不當(dāng)，很容易造成污染或損壞，或者由于噴嘴的圓度差或熱金屬飛濺造成的局部堵塞，會(huì)在噴嘴中形成渦流，導(dǎo)致切割性能明顯惡化。有時(shí)噴嘴與聚焦光束不同軸，形成光束切割噴嘴邊緣，也會(huì)影響切割質(zhì)量，增加切割寬度，使切割尺寸錯(cuò)位。
對(duì)于噴嘴，要特別注意兩個(gè)問題。
(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口的大小對(duì)切割速度有一定的影響，噴嘴口的大小也影響出口處的壓力分布。隨著噴嘴直徑的增加，由于噴氣流對(duì)切割區(qū)母材的強(qiáng)烈冷卻作用，熱影響區(qū)域變窄，但也會(huì)導(dǎo)致切縫過寬，噴嘴尺寸難以準(zhǔn)直。噴嘴有被光束切割的危險(xiǎn)。而且如果切縫太窄，會(huì)阻礙高切割速度下熔渣的順利排出。
(2)噴嘴與工件表面間距的影響。噴嘴與工件之間的距離直接影響噴嘴氣流與工件切縫之間的耦合。噴嘴離工件表面太近，會(huì)對(duì)透鏡產(chǎn)生強(qiáng)烈的返回壓力，削弱飛濺切割產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)散能力，不利于切割質(zhì)量。但是，如果距離太遠(yuǎn)，會(huì)造成不必要的動(dòng)能損失，不利于有效切割。一般來說，噴嘴與工件之間的距離應(yīng)控制在1~2。mm現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)的割炬配備電感或電容式傳感器反饋裝置，以自動(dòng)調(diào)節(jié)兩者之間的距離。
外部光路系統(tǒng)的影響
通過外光路系統(tǒng)的傳輸(包括反射和透射)，激光射出的原始光束以極高的功率密度準(zhǔn)確地照射到工件表面。
應(yīng)定期檢查外光路系統(tǒng)的光學(xué)元件.及時(shí)調(diào)整，確保切割炬在工件上方運(yùn)行時(shí)，光束正確傳輸?shù)界R頭中心，聚焦成小光點(diǎn)，高質(zhì)量切割工件。光學(xué)元件的任何位置一旦發(fā)生變化或污染，都會(huì)影響切割質(zhì)量，甚至導(dǎo)致切割無法進(jìn)行。
外光路鏡片被氣流中的雜質(zhì)污染，被切割區(qū)域的飛濺質(zhì)點(diǎn)粘合，或者鏡片冷卻不足，會(huì)使鏡片過熱，影響光束的能量傳遞。光路準(zhǔn)直度漂移導(dǎo)致嚴(yán)重后果，過熱鏡頭會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)失真，甚至危及鏡頭本身。
一旦光學(xué)元件被污染甚至粘在切割產(chǎn)品的小質(zhì)點(diǎn)上，清潔它們是一個(gè)重要的問題，經(jīng)常被忽視。以下是一些清潔要點(diǎn):
(1)鏡頭清洗:將鏡頭紙彎成幾折，用幾滴分析純丙酮浸泡;用浸濕的鏡頭紙輕輕擦拭鏡頭表面，注意不要用手指按壓鏡頭;重復(fù)幾次，直到鏡頭表面清潔。.鏡面上沒有污垢和殘留痕跡;用干空氣吹干;如有必要，用幾滴丙酮打濕的鏡頭紙卷成桿子，輕輕擦洗鏡片表面，去除重污點(diǎn)。
需要注意的是，丙酮容易從空氣中吸收水分，污染丙酮本身，所以要蓋上丙酮瓶，千萬不要把清洗過的丙酮液倒回新的丙酮瓶里。
(2)反射鏡鏡片的清洗:從鏡架上拆下鏡片;鏡面朝上，鏡頭紙放在鏡面上;在鏡頭紙上滴幾滴丙酮，輕輕拉動(dòng)鏡頭紙拉過鏡面;重復(fù)上述過程，直到鏡面清潔，鏡面上沒有污垢和污漬;然后把鏡頭放在鏡頭座上。
如果用鉬鏡作為反射鏡，可以用水(肥皂水或含洗滌劑的水)清洗鏡面，因?yàn)椴荒芡繉?，拋光后可以直接使用。但是其他表面有涂層的鏡片不能用水清洗，因?yàn)楹芏嗤繉尤苡谒R片會(huì)被破壞。
