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气体对激光切割的影响

发布时间:2019/12/12 08:40

气体对激光切割的影响

了解激光切割辅助气体的工作原理有助于排除切割不良的边缘

发布于:2019年12月12日

发表人:江苏科茂自动化有限公司

关于:数控切割机,激光切割

激光切割


当您考虑时,辅助气体并不是激光切割如此重要的事物的最佳名称。与激光束协同工作,是比助手更多的合作伙伴。

辅助气体听起来很简单:它通过放热反应(与氧气)帮助切割并排空熔融材料。这是如此简单,以至于许多新手在减产时都不会考虑对其进行调整。他们可能只是减慢了进给速度,从而解决了问题,但确实增加了循环时间,并且可以消除您的工厂首先投资激光的原因:非常快地切割很多零件。问题可能与辅助气压有关,操作员可以在控制器上轻松改变气压。或流量,取决于喷嘴孔的直径。也可能是联络点需要调整。否则光束可能不在喷嘴中居中。或者它可以是所有内容的组合。

辅助气体是激光切割参数的主要参数之一。

在对不良切口进行故障排除时,提出问题,以及在涉及辅助气体时,这些问题应遵循气体的过程-从最初的输送到工厂,进入存储,通过管道,进入切割头,通过喷嘴以及进入切。

哪种气体?

协助选择气体(氧气,氮气或空气)取决于制造周期与气体成本的关系。由于其放热反应,氧气切割可使激光以相对较低的激光功率和较低的气流有效地切割较厚的材料,但是如果零件要进行焊接和(特别是)喷涂,则需要去除氧化物边缘。用氮气切割不会产生氧化物边缘,但是由于其高压和高流量,用氮气进行干净切割需要大量辅助气体。

常规上,氧气辅助气体用于碳钢,尽管并非闻所未闻,特别是在操作员的激光功率有限且使用氧气刺激切割的情况下。

您也可以在不锈钢和铝上使用氧气。早在1990年代,当机器没有足够的功率有效地切割不锈钢时,我记得在1,000瓦特的系统上用氧气切割半英寸的不锈钢。

他补充说,氧气切割不锈钢已变得罕见,这仅仅是因为更高的激光功率使氮气清洁切割更具吸引力,从而提供了具有竞争力的速度并消除了去除氧化物的需求。

在切割铝时,氧气还可以产生更高的速度。他补充说,这种气体倾向于在光纤激光器的1微米波长的高吸收特性下工作良好。氧气正在刺激伤口,而氮气却令人窒息。

多年来,使用空气进行切割变得越来越普遍,尽管专用设备的前期费用很高,以确保尽可能干净和足够的压力输送空气。空气主要是氮气,所以它是惰性的,但是混合物中确实还有其他元素。这就是为什么人们主要在薄的材料上使用它的原因,这些材料没有太多的优势可看。另外,您仍然需要高压和高流量,因此来自压缩机的典型空气可能没有足够的压力来进行干净切割。

激光切割
 

尽管如此,空气有时仍具有有益的作用。例如,用空气对铝进行激光切割通常会产生干净的边缘。空气中的少量氧气使铝切割增加了一些速度,并改变了边缘的外观。

大多数气体供应商提供的纯度足以进行纯净的氮气切割,远高于99%。使用氮气,只要纯度不发生变化,我就不必担心所输送气体的纯度。氮气是一种惰性气体,因此您只是想阻止任何外部污染物和碎屑进入您的气体管线。但是,当您进行氧气切割时,可获得的纯气体越接近99.9%,您的状况就越好。一旦纯度降至99.7%以下,就几乎停止切割了。

气体如何输送到激光器?

气体可以通过钢瓶(通常与氧气一起使用,以较小的体积使用),杜瓦瓶,微型罐和散装罐以及外部蒸发器进行输送,以确保足够的液态气体可以以足够高的流量转化为气体,这是氮气切割应用中的典型值。

体积。蒸发器的工作是产生容积;他们并不是为了增加压力而设计的,但是,如果有足够的数量,您将保持所设定的压力。产生压力的唯一方法是使用高压罐或外部设备,在受控的过程中收集液体并将其计量出来,以保持一定水平,例如400 PSI。

这样的系统即使在填充储罐时也有助于维持流量。传统上24/7全天候操作会使用单独的储罐,因此一个储罐始终处于在线状态以馈送激光。取而代之的是,一些工厂现在使用隔离散装储罐的系统,以确保将恒定压力传递到机械上。

低压散装油箱进入装有2缸4冲程发动机的系统,该系统可产生高达550 PSI的压力。当驾驶员进行氮气输送时,他可以将其输送到该大罐中,而不会中断对应用程序的供应。在填充储罐时,它仍然可以从储罐中抽出低压液体。

水暖。用氮气切割需要大量气流,因此从储罐到激光器的管线必须具有足够的直径,以避免压力下降。我们称之为压力下降,但这实际上是流量限制。

理想情况下,管道不应有过多的90度弯头,而应尽可能具有弯曲曲线。流量也应足以为连接到气体管线的所有激光切割机提供服务。调节器必须足够大以应对流量。消息人士还指出,要注意管道钎焊。如果在钎焊连接线时未使用氮气吹扫,则来自该钎焊接头的污染物最终会找到进入激光的途径。

如果在钎焊时不对氮气进行吹扫,气体管线将充满灰烬。

检查端口和配件,尤其是当管线降级到较小的内径管线时,尤其如此。确保较小内径的管线足够大,以支持激光切割应用所需的氮气流。

假设您有一个直径为1英寸的氮气管线供入系统,然后将其降为0.5英寸。介于两者之间的配件可能要小得多。因此,您可能有0.5英寸。软管,但所使用的接头只有0.375英寸。

用于将氮气管连接到激光器的配件可能会产生另一个扼流圈。因此,(氮气)越来越小,因此,您将无法获得体积。当激光操作员无法获得足够的气体时,他会提高压力。不过,理想情况下,辅助气体管线中的那些节流点需要固定。

当切割窄切口宽度时,保持气体体积变得尤为重要,这在光纤激光应用中很常见。使用更大的喷嘴直径似乎有益于纤维系统的氮气切割操作。减少0.25英寸 CO 2中的材料可能需要直径为2.5毫米的喷嘴;但是由于在光纤激光切割的情况下,切口通常较窄,因此该应用可能需要直径为3毫米的喷嘴。2.5毫米喷嘴可能需要2,000立方英尺/小时(CFH),而3毫米喷嘴可能具有3500 CFH的气体流量。但是,如果您有一个为2.5毫米喷嘴的气体流量设计的接头,那么您会遇到问题。

(消息人士补充说,尽管光纤激光器确实使用了更多的辅助气体,但切割产量的总体增加(尤其是薄材料的增加)远远超过了增加的成本。)

诚然,这有点违反直觉。狭窄的切缝不应该要求辅助气体的狭窄喷射吗?窄切口应用受益于较大的喷嘴这一事实与周围空气的摩擦有关。想象一下一列氮气辅助气体向金属薄板表面下降。在该柱的边缘附近,快速移动的分子有助于气体相对于缓慢移动的环境空气分子流动。相对静止的空气分子和辅助气体之间的这种摩擦将振荡波发送通过辅助气体塔。

在狭窄的气柱(由​​小喷嘴孔产生)中,这些振荡波可能使其进入切缝并导致切边粗糙。对于宽的气相色谱柱,大多数湍流的气体分子永远不会使其到达色谱柱的中心。因此,中心附近的辅助气体大部分不会改变地进入切缝,而湍流的辅助气体则永远不会进入切缝并消散。

切尔纳用公路比喻。如果您有四条车道,那么所有的汽车都在行驶。现在大家都进入一条小巷,一条狭窄的切口。对你的压力更高。当切缝较窄时,光斑尺寸较小,当我们将气体送入切缝中时,我们会看到摩擦效应增大。因此,我们用更大的喷嘴来弥补。”

较大的喷嘴可以为操作员提供较大的参数窗口。一个喷嘴尺寸可以使操作员在70到80 IPM之间干净地切割,而较大的喷嘴可以使操作员在60到90 IPM之间切割。气量不一定在每种应用中都更好,但这确实使操作员在其他参数上有更多的回旋余地。

尽管如此,将喷嘴尺寸增加甚至一半毫米仍会使用更多辅助气体,并且随着时间的推移,这些成本可能会增加。气体流量的增加可以帮助改善切割边缘,但是额外的气体使用量也使激光切割过程更加昂贵。

我们尝试使用能够达到具有竞争力的速度的最小喷嘴直径,他补充说,在标准辅助气体流速公式中,喷嘴直径是平方的。如果您改变压力,那么流量只会发生很小的变化。但是,如果您改变喷嘴的尺寸,您的流量就会发生巨大变化。

当您增加喷嘴直径时,流量会增加,但它使操作员可以更轻松地在较低压力下运行激光。但是公式中丢失的是流速。典型的激光系统没有流量计。因此,当您更改喷嘴直径时,便会更改流量。当您更改压力时,它是线性速率。如果您将压力增加2巴,而您的压力为10巴,您几乎就会知道压力变化了20%。有直接的关系。但是,如果您将喷嘴从2.5毫米更改为3.0毫米,则只有半毫米。谁在乎?好吧,实际上,您的辅助气体流量几乎增加了一倍。但是我们经常这样做是因为它为您提供了更大的操作窗口,而且您不必在如此高的辅助气压下进行操作。

碗是什么样的?

这不是一个自然要问的问题,但这是适用于调整切削条件的一个问题。没有单独的激光切割变量起作用。用碗形比喻描述了最佳切割条件。在针对手边的材料和厚度调整了所有参数(包括进料,辅助气体压力,辅助气体流量,激光功率和焦点位置)后,所有这些变量的点都对准了碗的中心。更改一个条件,其他条件将偏离中心。

当条件设置在安全范围内时,对于最常见的材料类型和厚度,碗的底部会有些平。变量(由点或点表示)都仍在碗的平坦部分中,因此更改不足以改变切边质量。将参数带到碗的一侧需要进行重大更改,更改开始影响切割质量。

由于提供的(切割)条件是安全条件,所以碗很宽,壁很浅。一旦知道了激光的特性和切割条件的结果,就可以针对车间的工作负载调整条件。每次在切削条件下进行改进时,碗变得更小,壁更陡。

联络点在哪里?

许多新手操作员可能会降低进给速度,以克服切割质量问题。不幸的是,降低进给速度应该是最后的解决方法。在拐角处和轮廓处是必须的,但是在切割直线边缘时当然不需要。问题经常出在另一个参数上。重点位置通常是材料切割方式不同的首要原因,但这是操作员首先要忽略的事情。

光束上最热的点是实际的焦点。因此,当您切割不锈钢时,通常使用惰性气体进行切割,因此您希望材料中具有该热点,因为您一直在用切割气体来冷却切割物。

当用氧气切割低碳钢时,切缝会稍宽一些,因此焦点通常位于材料表面上或材料表面上方。此焦点位置有助于氧气排空,燃烧材料以帮助切割。典型设置约为28 PSI或更低,并且流量小于每小时60标准立方英尺(SCFH),尽管某些应用可能要求压力低至10 PSI。正确的氧气流量和压力可提供足够的氧气,以帮助切割和排空材料。氧气过多,放热反应变得太宽,并产生粗糙的切边。

仔细观察切割边缘会发现焦点问题,进而影响气流和其他切割参数。,如果氮气切割产生尖峰的渣,则可能是由于辅助气体流量不足或焦点太高所致。焦点位置提供热量并抵消高氮辅助气流的冷却效果。当出现尖峰的渣时,熔融的材料基本上会凝固,然后才有机会排空。另一方面,浮渣是一个明显的迹象,表明切点内焦点太低。在这种情况下,这是过度冲洗的情况,”哈恩说。激光实际上一次熔化了过多的切缝侧壁,因此熔融金属不能有效且均匀地排空切缝。

氮气流过多,特别是在不锈钢中,可能导致电弧放电,并最终导致激光等离子切割。实际上,在喷嘴和工件之间会出现紫白色的电弧,尽管边缘粗糙,但仍可以切割出很厚的不锈钢。

消息人士补充说,用激光等离子切割可能不是一件坏事。回到权衡选项以获得最佳吞吐量。用激光进行等离子切割可能会产生粗糙的边缘,但是对于某些作业来说可能是可以接受的。而且,根据车间所用激光器的类型和功率,以这种方式切割较厚的材料,然后对其进行去毛刺和精加工可能是处理该材料的最快方法。

 

切口有多宽?

光束在其焦点处最窄,最热,并且远离该点更宽,因此,当操作员更改焦点时,他也更改了切口宽度。假设设置了机器的切割条件,以使激光在某种材料上以100 IPM的速度切割,从而产生0.010英寸宽的切缝。围绕此设置所有切割参数,包括辅助气体。设置为100 IPM时,设置辅助气体压力和流速以干净,有效地排空熔融金属。但是,当光斑位置改变时,缝隙宽度也会改变。

如果切缝较宽,则可能需要降低切割速度才能获得高质量的边缘。在所有材料上,您实际上是在尝试达到一定的切缝宽度。

它归结为以一定的速度达到一定的切口宽度,并在适当的压力下流动适当量的气体以排空熔融材料。通过将光斑聚焦在正确的区域上,激光将热量精确地引导到所需的位置,以达到材料等级和厚度以吸收光能。金属会熔化,并在以正确方式引导的适量辅助气体的帮助下,从切口的底部抽空,留下光滑的边缘。全部拨入后,激光就能真正飞起来。

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