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激光加工使用问题解决方案

激光加工使用问题解决方案

  激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术,涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。由于激光加工热影响区域小,光束方向性好,几乎可以加工任何材料。常用来进行选择性加工,精密加工。由于激光加工的特点,其发展前景广阔,目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工,快速成形,激光钻孔和基板划片,半导体处理等。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

 

影响激光加工性能的要素

 

  如图1~5所示,显示的是影响激光加工性能的各主要因素,加工性能的提高,离不开对这些因素深入的研究与优化。

 

  与激光束相关的要素

 

  激光的输出形态中包含连续输出CW模式和脉冲模式两种。加工材料对激光束的吸收特性将受激光波长影响,而激光的波长又是取决于激光的工作介质。输出功率表示的是能量的大小,占空比表示的是在脉冲输出时的每一脉冲时间内激光照射时间所占的比例,频率表示的是每一秒内的照射次数,光束模式表示的是能量强度的分布。

 

  与加工透镜相关的要素

 

  焦点距离表示的是从透镜位置到焦点的距离,是直接影响焦点位置处的光斑直径与深度的要素。加工透镜中有能抑制像差的凹凸透镜和普通的平凸透镜两种。

 

  与激光束的焦点光斑相关的要素

 

  焦点的直径取决于透镜的规格,透镜的焦距越短,则焦点的直径就会越小。焦点位置是指聚焦点离加工材料表面的相对位置,我们把材料表面之上方向定义为正、之下定义为负。焦点深度是指在焦点附近能得到与聚焦点处光斑直径大小基本相同光斑的范围。

 

  与喷嘴相关的要素

 

  喷嘴的直径决定着熔化、燃烧的可限制范围以及喷射于加工部位的辅助气体流量。喷嘴的前端之所以呈圆形,主要是为了能胜任对任何方向的加工,喷嘴与加工材料表面间的间距要尽量设定得窄。

 

  与辅助气体相关的要素

 

  辅助气体的压力影响着熔化金属从切缝中的排出情况。气体的种类将会影响到加工质量与加工能力,切割时需要氧气的助燃作用,而焊接或热处理时则需要对加工部位起保护作用。每一个喷嘴都将存在着其自身的最佳气体流量。

 

  与加工材料相关的要素

 

  材质、板材厚度会影响到激光能量的消耗,材料的表面状况会影响到激光束吸收的稳定性,而加工形状又会影响到热能的扩散。

 

氧化反应的燃烧作用

 

  现象与原理

 

  在对激光切割的原理有了一定了解的基础上,还需要掌握一些有关铁的氧化反应方面的知识。如图6所示,铁在燃烧时,因燃烧反应而生成的氧化铁的形态有三种,其燃烧方程式分别为:

 

2Fe﹢O2= FeO+128Kcal

4Fe+3O2=2Fe2O3+381.4Kcal

3Fe+2O2=Fe3O4+266.9Kcal

 

  以1g铁来换算,其所产生的热量如表1所示,可以看出铁在燃烧中会释放大量的热。

 

  假设在激光切割中,所产生的各种氧化铁的比例分别为FeO :20%、Fe2O3:45%、Fe3O4:35%,则1g铁所放出的热量将是1.538Kcal,该热量大概是熔化1g铁所需热量(约0.23Kcal)的5倍。热量中的一部分会通过热传导而散失,但绝大部分都会参与切割。

 

  图7所示为在同样1kW功率条件下对碳钢材料的切割能力和焊接能力进行的对比。焊接的辅助气体氩气的压力设定在0.01MPa以下,仅起到防止焊缝表面被氧化的作用,不用于提高加工能力(熔化深度);用氧气切割时,氧气燃烧所产生的热量是不用氧气时的5倍,加工能力也有着同等程度的提高。例如,加工速度为1m/min时,可以得到1.5mm的焊接熔化深度,而用同样速度进行切割,则最大可以切到7mm厚度。另外,熔化深度为1.5mm时的焊接速度是1m/min,而切割1.5mm厚的板材时切割速度可达5m/min,是焊接的5倍。相对于焊接来讲,切割的加工能力所提高的量,基本是与氧气燃烧所放出的热量倍率(约5倍)是一致的。

 

氧化反应的热传导与切割速度的关系

 

  现象

 

  使用4kW级输出功率的发振器,用氧气辅助气体进行薄板的高速切割时,切割速度可以设定在10m/min以上。但是,随着板材厚度的增加,加工速度会变慢,当厚度超过19mm时,加工速度将低于1m/min。如果切割形状中存在尖角,则尖角部分就很容易在加工中被熔掉(图8),且角度越小,尖角部分就越会被熔掉。

 

  原理

 

  如图9所示,尖角之所以会被熔掉,是因为激光束经过尖角时尖角部分已处高温,再照射激光就会引起异常燃烧,导致尖角被熔掉。解决方法就是让激光的切割速度大于热的传导速度,也就是说要让尖角部分的切割完成在材料被加热之前。

 

  高速切割

 

  在我们的加工实验中,当把激光切割速度设在2m/min以上时,尖角前端被熔掉的现象就开始轻减。图10是在6mm厚板材上切割60度尖角时的照片。切割条件是:3kW输出功率、3m/min的切割速度,在此条件下尖角前端没有出现被熔掉的现象。表2中列举了不同厚度的碳钢材料在切割速度为2m/min以上时所需发振器的输出功率。随着板厚的增加,所需发振器的输出功率也是相当大的,选择发振器时,要综合考虑到运转成本等因素,力争做出最佳的选择。

 

  脉冲切割

 

  如果发振器是不能设定为高速切割条件的低功率发振器,则可将条件设定为脉冲条件,这样也可有效防止出现被熔掉的现象。图11显示的是低速条件时脉冲切割参数与尖角前端被熔掉的关系。在平均输出功率一定的前提下,脉冲的峰值功率越大频率越低,则每一个脉冲内不照射光束的时间比例就会越大,冷却时间也因而会变长,尖角前端被熔掉的现象也就可以得到轻减。在设定脉冲峰值功率及频率时,还需同时要注意到与切割速度的平衡,进行最优的设定。

 

熔融金属的举动

 

  现象

 

  激光切割是通过照射聚焦过的激光束、喷射辅助气体来完成的。激光束照射到加工材料上,加工材料就会被瞬间加热到可熔化蒸发的温度,此时喷射高纯度的氧气就会引起燃烧,氧化反应所产生的热能会再促进加工。辅助气体还起到把燃烧中生成的物质及熔化金属从切缝中排出的作用。在激光束的照射及氧化反应作用下,热能在切缝的前沿把材料熔化,再通过辅助气体把熔融物排出。切缝在如此反复中形成,最终达到切割的目的。

 

  机制

 

  我们可以通过切割面上留下的痕迹来说明激光切割的机制。如图12、13,切割面的上半部分拖曳线间距细小、排列整齐,是激光束的熔融起主导作用的切割层,我们称之为第一条割痕。第一条割痕的下面是在切割面上半层生成的熔融金属向下方移动、氧气燃烧作用产生的熔融起主导作用的范围,我们称之为第二条割痕。第二条割痕的燃烧比第一条割痕要慢,切割速度快或板材很厚时,拖曳线将相对于切割的行进方向呈滞后。图14是9mm厚碳钢材料切割前沿的加工状态。第二条割痕的拖曳线相对于切割的行进方向滞后,此滞后量也受切缝宽度影响。焦点位置在材料表面Z=±0位置时,上部切缝为最小,此时将不能向切缝内供应燃烧所需的足够氧气,用于排出熔融金属的气体压力也不够,拖曳线会向后方呈滞后。

 

  把焦点位置向上方调整,扩大切缝的宽度,就将存在一个拖曳线的滞后量最小、切缝宽度适宜的范围。在此范围内的话,熔融金属可顺利从切缝内排出,向材料的热输入也为最少。如把焦点进一步向上方调整,则能量密度会下降,熔融能力会降低,拖曳线也会因此而滞后。

 

拖曳线的形成

 

  现象与原理

 

  ⑴第一条割痕范围的拖曳线。如图1所示为激光束与加工进展的概略图。设切缝前沿A点处的激光束行进速度为Va、氧化反应速度为Ra。板厚越大,切割速度就越慢,切割速度Va将小于氧化反应速度Ra。当激光束接触到A点后,氧化反应速度Ra会大于Va,燃烧的进展将先于激光束的行进。而后,温度逐渐降低,燃烧将停止在A2点处。当激光束以Va到达该停止位置后,氧化反应速度Ra的燃烧将会继续,这一循环如此反复。

 

另外,在切缝的宽度方向上,也是以氧化反应速度RaA点向C点燃烧,到达C点后,温度降低氧化反应停止。当激光束到达A2点后,又将沿切缝宽度方向燃烧到C2点,这一循环一直反复,就会形成拖曳线。

 

Va的速度提高到与Ra基本相同的程度时,激光束将会始终处于与A点相接触的状态,向切缝宽度方向扩展的A点和C点之间的距离会变小,拖曳线的间隔也会相应变小。

 

  ⑵第二条割痕范围的拖曳线。如图2所示,在板厚方向上设定A点和B点。当在A点时,氧气纯度或辅助气体的动量都还保持得很高,VaRa成立,此时可以得到非常光滑且笔直的拖曳线。而当B点时,氧气纯度或辅助气体的动量都有所下降,Vb>Rb,因而会出现切割前沿的滞后现象。

 

  用氧气切割时,随着板厚的增加,散失到母材内的热量会随之增多,熔融金属的温度也会随之而降低,熔融金属表面的张力、凝固层的厚度都会变大,最终导致切割面粗糙度变差。而用氮气或空气切割金属时,也会出现同样的现象,切割面会随着板厚的增加而变粗糙,但是由于用氮气或空气切割时没有氧化燃烧反应作用,粗糙度不会差到用氧气切割厚板时的程度。

 

穿孔

  

  现象与原理

 

穿孔时,穿孔过程中所产生的熔融金属将会喷出到加工材料的表面,并堆积在孔的周围直到穿透为止。穿孔条件,如图3所示,可以设为脉冲条件或CW条件。

 

  ⑴脉冲条件。在激光束照射之后,就将开始材料表面被加热的过程(a)到加热渐渐深入,并起到穿孔作用的过程(b)~(d),直到最后的穿透过程(e)的不间断循环。用此方法对板厚在9mm以上的材料进行穿孔时,虽然穿孔时间会急剧增加,但却可以得到孔径在0.4mm以下、比切缝宽度小、对周围热影响少的加工质量。需要注意的是,为了缩短穿孔时间而把加工条件设定为输出功率骤然变化的做法,将会造成大量的熔融金属不能从很小的孔径的上部全部排出,导致过烧。

 

  ⑵CW条件。在CW条件时,采用的是将焦点位置设在稍高于加工材料表面、加大穿孔的孔径来迅速加热的方法。虽然采取这种方法会产生大量的熔融金属,并会喷溅到加工材料的表面,但在加工时间上却可以得到大幅度的削减。

 

  ⑶穿孔能力的提高。穿孔洞的内壁也吸收激光束。图4所示为在穿孔过后向孔洞内照射激光束,并对此时穿过孔洞到达底部的激光束进行能量测量而得到的结果。方法是分别对各种板厚进行穿孔,然后在各孔的下方设置上能量检测器,再向孔洞照射激光束。板材越薄,则透过孔洞的激光功率就越大,板材越厚,则透过的激光功率就越小。结果就如图4所示,激光束在孔洞的内壁被从上向下进行多重反射,边被吸收边被传输。要缩短穿孔时间,就需要对被孔内壁所吸收的功率进行相应的补偿,也就是说需要随着穿孔的进展相应把功率加大。

 

另外,要减少热影响,也需要加大输出功率。输出功率越大,加工就越可以在短时间内完成,可缩短激光束被内壁吸收的时间。

 

氮气或空气辅助气流与切割的关系

 

  现象

 

用氮气或空气进行切割时,辅助气体的作用就是把因激光束照射而熔化的金属从切缝的上部推向下部,进而从加工部的背面排出,防止在背面挂渣。

 

要想充分发挥辅助气体的喷射作用,就需要切缝内能保持足够的辅助气体压力。如图5所示为分别对板厚为3mm、4mm、5mm、6mm的铝合金材料以空气作为辅助气体进行切割时,辅助气体压力(P)与最大毛刺高度(h)的关系。任何板厚都显示为辅助气体的压力越高毛刺的高度越小。

 

  原理

 

我们将从喷嘴喷出后的辅助气体压力能保持在与喷嘴内压力同等程度的范围称之为潜在核。潜在核的特性直接影响上述挂渣情况。潜在核从喷嘴的前端起,其可以保持的距离与喷嘴的直径成正比,喷嘴直径越大,潜在核可维持的距离就会越长。不难想象,板材越厚所需要的喷嘴直径就会越大。但是,随着直径的加大,辅助气体的消耗量也会增加,选择时需要根据加工材料的厚度,在板厚的毛刺容许量范围内选择最小的喷嘴直径。

 

要使辅助气体的压力能从切缝的上部保持到下部,还需要对切缝形状进行优化。切缝的形状决定于照射到加工材料的光束特性。如表1所示,在5mm厚铝合金(A5052)的切割中,当焦点位置在板厚的内部进行变化时,切缝形状及切割面形貌也随之变化的状况。负调整量越大,上部切缝就越宽,坡度也就越大。在该实验中,焦点位置设在差不多是板厚底部的位置上时得到了良好的加工质量。需要注意的是,焦点位置的最优值将会根据光束的聚光特性而有所差异。

 

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