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高功率激光器

发布时间:2020/01/04 09:11

高功率激光器

瓦数,模式和辅助气体如何协同工作

发布于:2019年1月4日

发布人:江苏科茂自动化有限公司

关于:激光切割机

激光切割

多年以来,越多越好”的心态已根植于美国文化中。有时这不是一件好事。但是,与激光切割有关,“越多越好”的心态已被证明是成功的。

自1958年首次申请专利以来,来越多地人希望使用激光技术。更快的处理能力,更高的功率以及更多的功能已成为推动这项不断发展的技术的核心原则。

激光应用和辅助气体

固态,半导体,液体,自由电子和CO 2等多种激光器类型可用于不同的应用。CO 2激光器具有连续波特性,使其适合大多数切割应用。

CO 2激光器从氮气,氦气和CO 2的混合气体中产生激光束(有些还需要添加一氧化碳)。通常产生的激光束用于切割低碳钢,不锈钢,镀锌材料和铝。它还可以切割奇特的金属,例如青铜和钛,甚至可以切割非金属,例如木材。

辅助气体,例如氧气,氮气和车间空气,可帮助激光束切割特定的材料。氧气通常用于切割低碳钢。它与材料中的碳发生反应,以帮助燃烧和汽化过程(放热反应)。氮气通常用于切割不锈钢和铝。该惰性气体不会与被处理的材料发生反应,因此可通过将其吹过切割区域或切缝(吸热反应)来帮助除去熔融材料。

用氧气切割会在材料上产生氧化边缘,通常必须在粉末喷涂或焊接之前将其清除。但是,尽管氮气产生了更美观的切削刃,但其成本却比氧气高。另外,氧气可以比氮气切割更厚的材料,并且切割所需的体积比氮气切割所需的体积小。

高功率激光器的发展

在激光切割的早期,500至1,000瓦被认为是高功率。厚板的厚度为14英寸,在美好的一天,可以用激光切割出可接受的边缘质量。可以使用氮气,但是功率不足不能使其迅速切开,也不能切割出像氧气一样厚的材料。

现在,激光功率水平通常达到4,000 W或更高。功率的增长为激光切割领域带来了许多新机遇,例如加工厚度超过1英寸的板材。

功率的增加也影响了辅助气体的使用。氮气通常用于切割,车间空气的使用也在扩大,从而进一步提高了速度和效率。

高功率激光机的编程和设置并不比低功率激光器复杂。快速设置有助于满足市场需求,以小批量快速周转。
激光
图1模式是由横向电磁模式(TEM)值定义的,该值标识激光束的横截面形状。

了解大功率模式

并非所有高功率激光器都相同。功率的使用方式部分取决于激光束本身的形状或模式。该模式确定激光最适合快速切割薄材料还是最有效地切割厚材料。可以对模式进行整形以同时实现两者。

一个长期存在的误解是,激光提供的功率越大,切割所有材料的速度就越快。但是,不一定是这种情况。实际上,错误模式下的功率过多会导致某些材料的切割速度变慢。

模式由横向电磁模式(TEM)值定义,该值标识激光束的横截面形状。理想的光束形状称为TEM00。这种形状称为钟形曲线或高斯曲线(见图1)。

在TEM00值处,焦点处的功率密度或每平方英寸的功率增加。梁的形状越接近该值,则越适合于高速切割薄材料。这是因为所有功率都集中在一个点上,从而形成了一个具有高功率密度的小切口,这使激光可以快速蒸发材料。

这种模式的优势在于,与共振频率相比,在薄金属板上以较低的谐振器功率可以实现较高的速度。当光束聚焦在工作表面上时,可用功率的集中度足以执行必要的汽化过程以提高切割速度。

切割厚的低碳钢板时,可以看到TEM00的潜在缺点。切割过程通常会产生放热反应,因此它依靠氧气进入切缝并协助燃烧过程。但是,如果切缝太窄,氧气将无法正确进入切割路径。结果可能是毛刺的表面,零件底部的炉渣或零件实际上将自身焊接到骨架上。但是,可以通过降低切割速度并给予辅助气体更多的时间进入切割区域来成功地进行切割。

TEM01模式比TEM00更适合切割厚板和其他一些应用。它允许更宽的切缝开口,因为在焦点处功率分布更广泛。这使更多的氧气进入切割区域并有助于燃烧过程,从而在整个材料中实现良好的切割。

虽然以高功率使用此模式可以改善从薄到厚的所有材料的整体切割过程,但它确实失去了与TEM00模式相关的一些汽化质量。因此,钣金件的切割速度不如TEM00模式快。

大功率切割

在切割优质,厚薄的含氧软钢时,高功率在提高切割稳定性和一致性方面起着重要作用。但是,每种应用都可能不需要使用全部4,000W。

在低碳钢切割过程中,模式结构和氧气辅助气体对功率需求有很大影响。例如1英寸。4,000瓦机器上的金属板可能只需要2,800瓦即可获得最佳切割效果。或6,000 W的激光器可能只需要使用4,000W。关键是更高的功率为切割应用打开了一个窗口,使切割应用可以根据需要变得更厚,更快。
激光切割
高功率激光器甚至可以切割3/4英寸和1英寸。具有良好边缘质量的厚不锈钢。

但是,对于不锈钢而言,情况就不同了:力量就是一切,或者至少它具有更大的价值。原因是切割过程完全依赖于激光穿透和熔化材料的能力。功率越大,激光将更有效地熔化不锈钢。在高压下使用氮气辅助气体将熔融金属吹过切缝区域,然后才能固化。因此,激光功率越大,可以切割的不锈钢越厚。

超越切割

高功率并不仅限于切割。它可以通过减少操作和减少非增值时间来改善整个流程。

激光器安全性
虽然CO 2激光器可以切割许多材料,但用户应始终掌握手头正在处理的材料的材料安全数据表(MSDS),以了解由气化材料产生的潜在有害烟雾。另外,必须采取适当的排烟措施,以帮助去除灰尘和烟雾。

例如,随着谐振器功率的增加,穿孔已减少到几秒甚至几分之一秒。

激光能够切割比以前更厚的材料并保持高精度的能力,使一些公司可以通过激光切割历史悠久的机加工零件来节省时间。即使仍需要进行加工以达到规定的公差,激光也可以将零件切割到千分之一英寸以内,然后再加工成最终尺寸。

高功率激光器还提高了厚材料的精度和边缘质量,并减少了对二次操作的需求,有时还需要其他加工方法。

不断提高的功率有助于提高CO 2激光器切割厚软钢,不锈钢和铝的能力。现在已经可以实现厚度超过1英寸的激光切割材料。激光切割的3/4英寸和1英寸不锈钢具有良好的边缘质量(见图2)。所有这些都可以减少交付时间。

随着功率的不断增加,总的处理时间持续减少。更快的处理不仅是更快的速度的结果,而且还因为可以减少附加操作的数量。速度和准确性的结合使该技术在当今竞争激烈的市场中吸引了许多制造商。最终,这意味着当在适当的应用中使用时,高功率激光器可以帮助制造商以更少的成本制造零件。

江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn