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光纤激光切割如何改变金属加工的规则

发布时间:2019/10/15 20:20

光纤激光切割如何改变金属加工的规则

使用激光成功切割铝和其他有色金属材料
 

发表时间:2019年10月8日
发表人:江苏科茂自动化有限公司
关于:光纤激光切割机,数控切割机


考虑到材料的高导热性和光反射率,激光切割铝从来不是一件轻松的事情。但是光纤激光器已经在 很多方面改变了局面。 

光纤激光器不仅改变了速度和波长,还改变了激光切割的游戏规则。自激光切割行业诞生以来,CO 2激光束的10.6微米波长已经取得了数十年的成功,但是当涉及到有色金属材料时,光学反射率会极大的影响这种切割方式。尽管有一些顽强的制造商完成了这一壮举,但用CO 2激光切割铜和黄铜仍然是很少。

当然,用CO 2激光切割铝非常普遍。但是,CO 2的10.6微米波长仍然不理想,然后在本世纪初,光纤激光器以1微米波长进入了竞争。工厂中最常见的金属比10.6微米波长吸收和反射的1微米波长更少。实际上,在光纤激光领域,铝的切割效果非常好,甚至在对于铜和黄铜也是如此。

因此,当制造商使用光纤激光器对铝或其他有色金属材料进行清洁切割时,割缝本身究竟发生了什么?有色切割方法的意义远不止光束波长。其他组件包括功率密度,光束聚焦,切缝宽度以及辅助气体类型和流速。以正确的方式将所有这些混合在一起,即使在曾经被认为过于反射而无法用CO 2激光束切割的有色金属材料中,也能获得光纤激光器令人注目的切割速度和整洁的切割效果。

 

激光切割机的历史

如果有人说激光切割中的某事是不可能或不切实际的,那么某个地方的制造商很有可能使它既可行又可行。例如,几年前访问过一家制造商,该制造商使用2.5 kW CO 2激光切割了厚度为3毫米的铜合金。切割头移动缓慢,操作员必须在切割过程中途停止以使其冷却。虽然不漂亮,但是可行。CO 2激光器的早期采用者在切割反射材料时遇到了一些严重的成长难题。早期,他们发现铝的低吸收特性会产生背反射。不仅会导致激光切割过程效率降低,而且,一直到激光谐振器的空腔,经常会破坏它们。从那时起,我们学到了很多东西。大多数机器,包括光纤激光系统,都具有内置的光学器件和数字控件,可以减轻或防止背反射。”

黏度

 

工具制造商和模具制造商注重材料的强度和剪切性能。开发激光切割参数的工程师和技术人员则将重点转移到其他地方,包括材料的吸收和反射率特性;熔点 熔融物料的粘度;导热系数; 和材料表面条件,包括薄膜和涂层。

金属在垂直入射和室温(300 K)下的表面反射率随入射光束的波长而变化。资料来源:查尔斯·卡里斯坦(Charles Caristan)制造的激光切割指南。

 

切割铝的困难是要以最少的锡渣进行整齐的切割,借助适当的辅助气体,压力和流量,可以最大程度地减少浮渣的产生。所有金属在熔化温度下均具有一定水平的粘度,但随着金属进一步加热,粘度不是恒定的。激光使铝远远超过其熔点超过660摄氏度。铝的粘度实际上随着温度在高于熔点50摄氏度时降低了一半以上。在超过熔点25摄氏度时,切割性能发生了微小的变化。

低粘度成为形成锡渣的主要因素,尤其是当材料的熔化温度相对较低时(如铝)。

氧化铝膜

一些切割挑战与熔化温度有关,特别是涉及到氧化铝(Al2O3)薄膜的薄层时,该薄膜在铝暴露于大气时在其表面形成。该膜可防止进一步的腐蚀,但也会使激光切割过程复杂化。

铝的熔化温度约为950 K,或略高于1200F。氧化铝在大约2,000 K或超过3,000 F的温度下熔化。在熔化的铝滴表面上形成的氧化铝膜的高熔点使它在仍然熔化的滴周围迅速凝固,因此辅助气体对于在其重新凝固之前迅速将其吹除出去很重要。如果冲洗不足够快,它会在底部边缘形成挂瘤,也被称为浮渣。好消息是,与不锈材料制成的浮渣相比,铝渣通常较软,以至于很多操作员可以用手工去除。

导热系数

铝的热导率是碳钢的许多倍,并且热导率加速了热损失。即,热量从切缝传导到工件的主体中。导热损失越大,切口中实际保留的热量就越少,激光切割的效率也就越低。

导热系数的差异导致不同牌号之间的切削特性不同,尤其是在较厚的材料中。正如Caristan在他的书中所发表的那样,与5XXXX铝相比,6XXXX系列铝的导热损失要高得多。两者在厚度规格上的切割方式相似,但在较厚的坯料上却截然不同。

从历史上看,使用CO 2激光切割铝的操作人员面临着使切割效率降低的若干挑战:10.6微米光束的高反射率,以及铝的高热导率导致更多的热传导损耗。实际上,所有的热量损失迫使许多操作处理板材中的热膨胀,有时编写切割程序,使刀头从板材的一个象限交替移动到另一个象限,从而均衡了热效应。

综上所述,光纤激光器的功率密度以及1微米波长再次真正改变了局面。铝的热性能没有改变。它仍然具有很高的热导率。但是它也会吸收更多的能量,并反射较少的1微米激光束能量。结合现代光纤激光束提供的高功率水平,功率密度和速度,大大提高了激光切割性能。

辅助气体和激光的聚焦

 

用氮气辅助气体或压缩车间空气(可用于较薄的材料)对铝进行激光切割可产生与其他用氮气切割的合金类似的切割作用。这是光束的热能,进给速度,所产生的切缝宽度以及辅助气流将熔融材料从切缝中冲洗出来的相互作用。完善辅助气流,使其与热量(聚焦和光束特性),切割速度和切缝宽度完美配合,并获得高质量的切割边缘,并减少条纹和浮渣。

优化聚焦,辅助气体和其他参数可最大程度地减少波纹
和浮渣。图片由江苏科茂自动化有限公司 提供

传统上,铝通常需要在材料表面深处聚焦光束,尤其是在材料变厚时。这有助于将材料吹除出切缝底部。要了解这种情况的发生方式和原因,可视化正在切缝顶部熔化的材料,这次焦点位于材料表面处或附近。

材料迅速熔化,然后流过割缝,光束发散,能量密度呈二次方下降。 因此,在切缝底部可用于熔融金属的能量较少,从而使金属氧化物冻结成浮渣。

将焦点设置在材料表面下方的较低位置,功率密度情况会发生变化。当熔融物料从物料表面附近向下穿过切缝时,它穿过光束的最亮部分,因此保持液体状态,直到从底部抽出为止。

降低速度会带来较好的切割效果,如果切得太快,会产生渣。但是如果切得太慢,还会产生渣。快速切割产生的残渣很直观;辅助气体在热源(光束)向前移动之前没有时间吹除熔融材料,因此熔融材料在切口的底部“结冰”成渣。

但是去渣太慢怎么办?速度也会影响切缝宽度。较慢的行进速度会产生较宽的切口,而较快的光束会产生较窄的切口。随着切缝的缩小,您将很难带入辅助气体,并且无法获得足够的吹除力。反过来,这会影响切割质量,包括挂渣。

边缘条纹也会随着切割速度以及其他变量而变化。切铝(和其他材料)的速度太慢,您会看到深的条纹。这些证据表明有大量气体在推动和冲洗液态金属。

超音速的影响,支座和喷嘴定心

所有这些与另一个不经常被考虑的变量相互作用:气体从喷嘴流出的速度。它是超音速的,就像任何比声音传播快的东西一样,都会产生小的冲击波。这种冲击波可以使辅助气体从您希望的流动位置偏转,并且可以扰乱您通过切缝的气体流量。

如果冲击波在切缝上方偏转,则它们会形成部分障碍物,从而阻碍辅助气体柱,进而改变切口中的气体动力学,并可能影响气体有效地排空熔融金属的能力,因此,切割质量差。随着切口宽度变窄,这种可能性更大。

 
切割铝时,变化的切缝宽度可能是个问题。在此示例中,切口在顶部表面较宽(顶部图像),而在底部几乎看不见。

 

由于气流是超音速的,因此激光切割操作人员无法消除冲击波,但可以通过适当设置喷嘴的间距来减少冲击波对切割的不利影响。经验法则是,隔离距离应等于或小于喷嘴孔的直径,太高会加剧冲击波的偏转,而偏转可能会产生更少的气体,从而使其真正进入切口。

另外,请确保聚焦光束在喷嘴孔的中心。他说:“您需要确保喷嘴孔的中心始终与切缝的中心线完全对齐。” “每次更改切割方向时,未对准都会显示不同的切割性能。”

光束和喷嘴前进

聚焦光束的传播和能量分布是复杂的主题,但是在考虑聚焦时,可以将激光束想象成两个圆锥体,一个在另一个之上。锥尖相遇的地方是焦点。聚焦光学器件的焦距越短,圆锥体越胖,聚焦点的尺寸越小,并且焦点处的功率密度越大。

焦点的大小随波长而变化,因此,当光束本身由较短的波长制成时,焦点处的功率密度将成倍增加。如此高的聚焦能力以及各种金属等级从光纤激光束吸收能量的能力,是使光纤激光器如此有效的部分原因。

这是您有经验法则的一个原因-对于某些材料和材料厚度,每千瓦光纤激光器的切割性能相当于相同功率的CO 2激光器的两倍。在激光切割中,更高的功率密度会产生更多的热能,多少能量取决于金属(包括铝)从激光束吸收能量的程度。但这只是等式的一部分。

熔融金属需要吹出。聚焦光学器件的短焦距意味着当您远离焦点位置时,功率密度会急剧下降。这使切缝变窄,这也意味着焦点必须位于正确的位置,尤其是当金属变厚时。狭窄的切口会使辅助气体难以干净地排空熔融金属。具有短焦距的聚焦光学器件可使光束迅速发散经过焦点,因此相对而言,当到达切口底部时,功率密度很小。在较厚的铝上设置更深的焦点位置(在材料内部而不是在材料顶部)的一个原因是常见的做法。

近年来,行业已看到的进步之一是减少功率密度下降的影响。您不能改变激光束的物理性质;他们都汇聚成一个焦点。即使这样,也可以更改其他光束特性以产生更好的切割边缘。有些提供了一种振荡焦点,可以根据材料的厚度来调整其行为。其他的则根据材料的等级和厚度来改变光束的能量分布或模式。例如,脉冲模式的光束在中心集中散布在光束轮廓上,能量集中在中心,因此中心处的能量密度较低,这导致缝隙狭窄。甜甜圈分布将能量集中在梁周长周围,从而使最高能量保持更靠近切口壁。


铝渣很软,操作员可以很轻松的去掉。

 

但是,光束的能量只是等式的一半。辅助气流的有效性是另一半。在这里,喷嘴技术发挥了重要作用。现在,某些喷嘴实际上具有接触工件表面的组件。这些减少了浪费的辅助气体,它永远不会进入切缝,这是光纤激光器产生的较窄切缝的一个特殊问题。

在典型的喷嘴中,气流一旦离开孔口就会膨胀,其中很大一部分都看不到切口。使用这些接触工件表面的接触式喷嘴,您可以减少浪费在工件表面上的气体,而有更多的气体直接进入切缝。

理想的数控切割

使用激光对厚薄的软钢进行氧气切割的车间利用了氧气和铁之间的化学反应。用氮气切割较厚的铝和其他有色金属材料时,必须将其熔化并干净地排空。

种“理想”的激光装置,辅助气体以完美的层流方式进入切口,并具有光束,可以干净地去除和冲洗材料,而不会在底部(渣d)或边缘(条纹)过早地“冻结” 。超声波冲击波在那里,但它们以不会偏转或阻碍气体进入切缝的方式移动。

 

如今,高功率激光的切割速度非常快,但是如果需要重新加工或报废所产生的零件,那么所有这些速度都不会受到影响。该行业在准确理解激光切割金属的方式上已经走了很长一段路,并且工作还在继续。理解得越好,切割参数就越好,操作员在第一次尝试中获得干净切割零件的机会就越大。

包括接触式喷嘴在内的新喷嘴技术可减少工件表面的辅助气体浪费。
江苏科茂自动化有限公司 /数控切割机专家