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激光切割質(zhì)量受哪些外在因素影響
來源：www.yh-ro.com 發(fā)布時間：2023年01月06日
一，切割速度對切割質(zhì)量的影響
對于給定的激光功率密度和材料，切割速度符合經(jīng)驗式。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，即聚焦后的光斑大小，對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、有機玻璃等);切割低密度材料(如白松木等);切割薄材料。
特別是對于金屬材料來說，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相對的調(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略寬于厚零件。有時，切割速度慢也會導(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)整焦點位置對切割質(zhì)量的影響
由于激光功率密度對切割速度的影響很大，鏡頭焦長度的選擇是一個重要問題。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。
焦點和工件表面的相對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。由于焦點處的功率密度高，在大多數(shù)情況下，焦點位置剛好在工件表面或略低于表面。在整個切割過程中，確保焦點和工件的相對位置恒定是獲得穩(wěn)定切割質(zhì)量的重要條件。有時，鏡頭工作中由于冷卻不良而受熱，導(dǎo)致焦長變化，因此需要及時調(diào)整焦點位置。
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，保護鏡頭免受污染，吹走切割區(qū)底部的熔渣。對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，氣體壓力是一個重要的因素。當(dāng)薄材料高速切割時，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損壞切邊)。當(dāng)材料厚度增加或切割速度緩慢時，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。
激光器切割實踐表明，當(dāng)輔助氣體為O二是其純度對切割質(zhì)量有明顯影響。O2純度降低2%會降低50%的切割速度，導(dǎo)致切口質(zhì)量明顯惡化。
第四，激光輸出功率對切割質(zhì)量的影響
對于連續(xù)波輸出的激光器，激光功率的大小和模式會對切割產(chǎn)生重要影響。在實際操作中，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)有時更為重要。此外，當(dāng)輸出功率增加時，模式往往略有惡化。經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在大功率以下的焦點中獲得大功率密度，獲得切割質(zhì)量。在激光器的整個有效工作壽命期間，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、焦點位置、輔助氣體壓力、激光功率和模式結(jié)構(gòu)是四個重要的變量。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，及時調(diào)整。
五.切割質(zhì)量對工件特性的影響
以下因素對激光切割質(zhì)量甚至能否切割影響大：
材料表面反射率
對CO210激光發(fā)射的10.6mm就遠紅外線光束而言，非金屬材料對其吸收較好，即吸收率高，而面金屬材料對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。.對于銅金屬來說，要形成足夠的啟動功率一般需要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，其吸收率會大大提高，從而獲得更好的切割效果。
對于不透明材料，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引起表面吸收率的顯著變化。在激光切割實踐中，有時可以利用材料表面狀態(tài)對光束吸收率的影響來提高材料的切割性能。
六.其它因素對切割質(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)計和制造對切割質(zhì)量有重要影響。
如果噴嘴選擇不當(dāng)或維護不當(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，會在噴嘴中形成渦流，導(dǎo)致切割性能明顯惡化。有時噴嘴與聚焦光束不同軸，形成光束切割噴嘴邊緣，也會影響切割質(zhì)量，增加切割寬度，使切割尺寸錯位。
對于噴嘴，要特別注意兩個問題。
(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口的大小對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，由于噴氣流對切割區(qū)母材的強烈冷卻作用，熱影響區(qū)域變窄，但也會導(dǎo)致切縫過寬，噴嘴尺寸難以準直。噴嘴有被光束切割的危險。而且如果切縫太窄，會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，會對透鏡產(chǎn)生強烈的返回壓力，削弱飛濺切割產(chǎn)物質(zhì)點的驅(qū)散能力，不利于切割質(zhì)量。但是，如果距離太遠，會造成不必要的動能損失，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.及時調(diào)整，確保切割炬在工件上方運行時，光束正確傳輸?shù)界R頭中心，聚焦成小光點，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，都會影響切割質(zhì)量，甚至導(dǎo)致切割無法進行。
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)點粘合，或者鏡片冷卻不足，會使鏡片過熱，影響光束的能量傳遞。光路準直度漂移導(dǎo)致嚴重后果，過熱鏡頭會導(dǎo)致焦點失真，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)點上，清潔它們是一個重要的問題，經(jīng)常被忽視。以下是一些清潔要點:
(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。
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，因為不能涂層，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，因為很多涂層溶于水，鏡片會被破壞。
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對于給定的激光功率密度和材料，切割速度符合經(jīng)驗式。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，即聚焦后的光斑大小，對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、有機玻璃等);切割低密度材料(如白松木等);切割薄材料。
特別是對于金屬材料來說，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相對的調(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略寬于厚零件。有時，切割速度慢也會導(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)整焦點位置對切割質(zhì)量的影響
由于激光功率密度對切割速度的影響很大，鏡頭焦長度的選擇是一個重要問題。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。
焦點和工件表面的相對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。由于焦點處的功率密度高，在大多數(shù)情況下，焦點位置剛好在工件表面或略低于表面。在整個切割過程中，確保焦點和工件的相對位置恒定是獲得穩(wěn)定切割質(zhì)量的重要條件。有時，鏡頭工作中由于冷卻不良而受熱，導(dǎo)致焦長變化，因此需要及時調(diào)整焦點位置。
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，保護鏡頭免受污染，吹走切割區(qū)底部的熔渣。對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，氣體壓力是一個重要的因素。當(dāng)薄材料高速切割時，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損壞切邊)。當(dāng)材料厚度增加或切割速度緩慢時，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。
激光器切割實踐表明，當(dāng)輔助氣體為O二是其純度對切割質(zhì)量有明顯影響。O2純度降低2%會降低50%的切割速度，導(dǎo)致切口質(zhì)量明顯惡化。
第四，激光輸出功率對切割質(zhì)量的影響
對于連續(xù)波輸出的激光器，激光功率的大小和模式會對切割產(chǎn)生重要影響。在實際操作中，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)有時更為重要。此外，當(dāng)輸出功率增加時，模式往往略有惡化。經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在大功率以下的焦點中獲得大功率密度，獲得切割質(zhì)量。在激光器的整個有效工作壽命期間，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、焦點位置、輔助氣體壓力、激光功率和模式結(jié)構(gòu)是四個重要的變量。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，及時調(diào)整。
五.切割質(zhì)量對工件特性的影響
以下因素對激光切割質(zhì)量甚至能否切割影響大：
材料表面反射率
對CO210激光發(fā)射的10.6mm就遠紅外線光束而言，非金屬材料對其吸收較好，即吸收率高，而面金屬材料對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。.對于銅金屬來說，要形成足夠的啟動功率一般需要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，其吸收率會大大提高，從而獲得更好的切割效果。
對于不透明材料，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引起表面吸收率的顯著變化。在激光切割實踐中，有時可以利用材料表面狀態(tài)對光束吸收率的影響來提高材料的切割性能。
六.其它因素對切割質(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)計和制造對切割質(zhì)量有重要影響。
如果噴嘴選擇不當(dāng)或維護不當(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，會在噴嘴中形成渦流，導(dǎo)致切割性能明顯惡化。有時噴嘴與聚焦光束不同軸，形成光束切割噴嘴邊緣，也會影響切割質(zhì)量，增加切割寬度，使切割尺寸錯位。
對于噴嘴，要特別注意兩個問題。
(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口的大小對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，由于噴氣流對切割區(qū)母材的強烈冷卻作用，熱影響區(qū)域變窄，但也會導(dǎo)致切縫過寬，噴嘴尺寸難以準直。噴嘴有被光束切割的危險。而且如果切縫太窄，會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，會對透鏡產(chǎn)生強烈的返回壓力，削弱飛濺切割產(chǎn)物質(zhì)點的驅(qū)散能力，不利于切割質(zhì)量。但是，如果距離太遠，會造成不必要的動能損失，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.及時調(diào)整，確保切割炬在工件上方運行時，光束正確傳輸?shù)界R頭中心，聚焦成小光點，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，都會影響切割質(zhì)量，甚至導(dǎo)致切割無法進行。
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)點粘合，或者鏡片冷卻不足，會使鏡片過熱，影響光束的能量傳遞。光路準直度漂移導(dǎo)致嚴重后果，過熱鏡頭會導(dǎo)致焦點失真，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)點上，清潔它們是一個重要的問題，經(jīng)常被忽視。以下是一些清潔要點:
(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。
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，因為不能涂層，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，因為很多涂層溶于水，鏡片會被破壞。
