
噴嘴和割炬的影響
本站發(fā)布日期:2014-10-23
割炬的設(shè)計和制造對獲得良好切割質(zhì)量產(chǎn)生著重要影響,特別是噴嘴。
噴嘴如選用不當(dāng)或維護(hù)不善易造成污染或損傷,或者由于噴嘴口的圓度不好或因熱金屬飛濺引起局部堵塞,都會在噴嘴中形成渦流,導(dǎo)性能明顯變差。有時,噴嘴口與聚焦光束不同軸,形成光束剪切噴嘴邊緣,也會影響切邊質(zhì)量,增加切縫寬度和使切割尺寸錯位。對噴嘴來說,要特別注意兩個問題。
(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口大小對切割速度有一定的影響,噴嘴口大小也影響出口處壓力分布。噴嘴直徑增加,由于噴氣流對切割區(qū)母材的強(qiáng)烈冷卻作用使熱影響區(qū)變窄,但也會導(dǎo)致切縫過寬,而噴嘴大小會引起準(zhǔn)直困難,噴嘴口有被光束削截的危險,而且,切縫過窄,在高的切割速度下會阻礙熔渣的順利排
出。
(2)噴嘴與工件表面間距的影響。噴嘴與工件間距直接影響噴嘴氣流與工件切縫的耦合。噴嘴口太靠近工件表面,對透鏡會產(chǎn)生強(qiáng)烈的返回壓力,減弱了對濺散切割產(chǎn)物質(zhì)點的驅(qū)散能力,對切割質(zhì)量有不利影響,但距離太遠(yuǎn)又會造成不必要的動能損失,對有效切割也不利。一般,噴口與工件間距控制在1~2mm為宜,現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)的割炬都配有電感或電容式傳感器反饋裝置,以自動調(diào)節(jié)兩者距離在預(yù)先設(shè)定的高度范圍內(nèi)。
2.外光路系統(tǒng)的影響
激光器射出的原始光束是經(jīng)過外光路系統(tǒng)的傳輸(包括反射和透射),以極高的功率密度準(zhǔn)確地照射到工件的表面。
外光路系統(tǒng)的光學(xué)元件應(yīng)定期檢查、及時調(diào)整,確保當(dāng)切割炬在工件上方運(yùn)行時,光束正確地傳輸?shù)酵哥R中心并聚焦成很小的光點,對工件進(jìn)行高質(zhì)量切割。一旦其中任何一光學(xué)元件位置發(fā)生變化或受到污染,都會影響切割質(zhì)量,甚至造成切割不能進(jìn)行。
外光路鏡片受到氣流中雜質(zhì)污染和切割區(qū)飛濺質(zhì)點粘結(jié),或者鏡片冷卻不足,都會使鏡片發(fā)生過熱,影響光束能量傳輸。引起光路準(zhǔn)直度飄移而導(dǎo)致嚴(yán)重后果,透鏡過熱還會產(chǎn)生焦點失真,甚至危及透鏡本身。
四、激光輸出功率對切割質(zhì)量的影響
對連續(xù)波輸出的激光器來說,激光功率大小和模式好壞都會對切割發(fā)生重要影響。實際操作時,常常設(shè)置最大功率以獲得較高的切割速度,或用以切割較厚材料。但光束模式(光束能量在橫斷面上的分布)有時顯得更加重要,而且,當(dāng)提高輸出功率時,模式常隨之稍有變差。常可發(fā)現(xiàn),在小于最大功率狀況下焦點處卻獲得最高功率密度,并獲得最佳切割質(zhì)量。在激光器整個有效工作壽命期間,模式并不一致。光學(xué)元件的狀況、激光工作混合氣體細(xì)微的變化和流量波動,都會影響模式機(jī)構(gòu)。
綜上所述,雖然影響激光切割的因素較為復(fù)雜,但切割速度、焦點位置、輔助氣體壓力和激光功率及模式結(jié)構(gòu)是4個最重要的變量。在切割過程中,如發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量明顯變差,就首先要檢查以上討論的因素并及時加以調(diào)控。
五、工件特性對切割質(zhì)量的影響
對激光切割質(zhì)量甚至能否切割影響最大的有如下因素:
1.材料表面反射率對CO2激光器發(fā)射出的10.6mm遠(yuǎn)紅外光束來說,非金屬材料對它吸收較好,即具有高的吸收率,面金屬材料則對10.6mm光束吸收較差,特別是具有高反射率的金、銀、銅和鋁金屬等,對這類材料一般不適宜用CO2激光束,特別是連續(xù)波光束來切割。對鋁、銅金屬而言,要形成足夠的起始功率一般需要3kW以上,以獲得穿透效果所需要的初始小孔。
黑色金屬鋼鐵類材料及鎳、鈦等對10.6mm的CO2光束有一定吸收率,特別是當(dāng)材料表面加熱到一定溫度或氧化膜以后,其吸收率還會大幅度提高,從而獲得較好的切割效果。
對不透明材料,吸收率=(1-反射率),與材料表面狀態(tài)、溫度及波長有關(guān)。
材料對光束的吸收率大小在加熱起始階段具有重要作用,但一旦工件內(nèi)部小孔形成,小孔的黑體效應(yīng)使材料對光束的吸收率接近100%
。
2.材料表面狀態(tài)
材料的表面狀態(tài)直接影響對光束的吸收,尤其是表面粗糙度和表面氧化層會造成表面吸收率的明顯變化。在激光切割實踐中,有時可利用材料表面狀態(tài)對光束吸收率的影響來改善材料的切割性能。
六、其他因素對切割質(zhì)量的影響
1.割炬和噴嘴的影響
割炬的設(shè)計和制造對獲得良好切割質(zhì)量產(chǎn)生著重要影響,特別是噴嘴。
噴嘴如選用不當(dāng)或維護(hù)不善易造成污染或損傷,或者由于噴嘴口的圓度不好或因熱金屬飛濺引起局部堵塞,都會在噴嘴中形成渦流,
導(dǎo)致切割性能明顯變差。有時,噴嘴口與聚焦光束不同軸,形成光束剪切噴嘴邊緣,也會影響切邊質(zhì)量,增加切縫寬度和使切割尺寸錯位。
對噴嘴來說,要特別注意兩個問題。
(1)噴嘴直徑的影響。噴嘴口大小對切割速度有一定的影響,噴嘴口大小也影響出口處壓力分布。噴嘴直徑增加,由于噴氣流對切割區(qū)母材的強(qiáng)烈冷卻作用使熱影響區(qū)變窄,但也會導(dǎo)致切縫過寬,而噴嘴大小會引起準(zhǔn)直困難,噴嘴口有被光束削截的危險,而且,切縫過窄,在高的切割速度下會阻礙熔渣的順利排出。
(2)噴嘴與工件表面間距的影響。噴嘴與工件間距直接影響噴嘴氣流與工件切縫的耦合。
噴嘴口太靠近工件表面,對透鏡會產(chǎn)生強(qiáng)烈的返回壓力,減弱了對濺散切割產(chǎn)物質(zhì)點的驅(qū)散能力,對切割質(zhì)量有不利影響,但距離太遠(yuǎn)會造成不必要的動能損失,對有效切割也不利。一般,噴口與工件間距控制在1~2mm為宜,現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)的割炬都配有電感或電容式傳感器反饋裝置,以自動調(diào)節(jié)兩者距離在預(yù)先設(shè)定的高度范圍內(nèi)。
2.外光路系統(tǒng)的影響
激光器射出的原始光束是經(jīng)過外光路系統(tǒng)的傳輸(包括反射和透射),以極高的功率密度準(zhǔn)確地照射到工件的表面。
外光路系統(tǒng)的光學(xué)元件應(yīng)定期檢查、及時調(diào)整,確保當(dāng)切割炬在工件上方運(yùn)行時,光束正確地傳輸?shù)酵哥R中心并聚焦成很小的光點,對工件進(jìn)行高質(zhì)量切割。一旦其中任何一光學(xué)元件位置發(fā)生變化或受到污染,都會影響切割質(zhì)量,甚至造成切割不能進(jìn)行。
外光路鏡片受到氣流中雜質(zhì)污染和切割區(qū)飛濺質(zhì)點粘結(jié),或者鏡片冷卻不足,都會使鏡片發(fā)生過熱,影響光束能量傳輸。引起光路準(zhǔn)直度飄移而導(dǎo)致嚴(yán)重后果,透鏡過熱還會產(chǎn)生焦點失真,甚至危及透鏡本身。
光學(xué)元件一旦受到污染甚至粘上切割產(chǎn)物小質(zhì)點,對它的清理是個極為重要而往往會被忽視的問題,下面列出一些清洗要點:
(1)透鏡的清洗:把擦鏡頭紙彎成幾折,用幾滴分析純丙酮浸濕;用浸濕的鏡頭紙輕輕擦拭鏡頭表面,注意不能用手指壓鏡片;反復(fù)幾次,直到鏡片表面清潔、沒有污垢和殘存痕跡留在鏡面;用干空氣吹干;必要時可把用幾滴丙酮弄濕的鏡頭紙卷成桿,輕輕地擦洗鏡片表面,以去除重污滴。
要注意的是丙酮易從空氣中吸收潮氣和水分污染丙酮本身,所以要蓋緊丙酮瓶,千萬不要將清洗后剩下的丙酮液倒回到新的丙酮瓶中。
(2)反射鏡鏡片的清洗:從鏡架上拆除鏡片;鏡面朝上,把鏡頭紙放在鏡面上;在鏡頭紙上滴幾滴丙酮,并輕拉鏡頭紙撩過鏡面;反復(fù)上述工序,直至鏡面清潔,無污穢和殘漬留在鏡面;再把鏡片裝入鏡座。
如果采用鉬鏡作反射鏡,因為它不能鍍層,拋光后即可直接使用,所以它可用水(肥皂水或含洗潔精的水)清洗鏡面。但其他表面有鍍層的鏡片不能用水清洗,因為很多鍍層溶解于水,鏡片將遭破壞
激光切割機(jī)常見的六個問題及處理方法
1.切割穿孔技術(shù)
任何一種熱切割技術(shù),除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一個小孔。之前在激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一個孔,然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機(jī)
有兩種穿孔的基本方法:
爆破穿孔——材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一個凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一個孔。
一般孔的大小與板厚有關(guān),爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在加工精度要求較高的零件上使用,只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。
脈沖穿孔——采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質(zhì)量優(yōu)于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應(yīng)具有較高的輸出功率;更重要的是光束的時間和空間特性,因此一般橫流CO2激光器不能適應(yīng)激光切割的要求。此外脈沖穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng),以實現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。
在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過渡技術(shù)應(yīng)加以重視。從理論上講通常可改變加速段的切割條件,如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實際上由于時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實,具體方法是改變脈沖寬度;改變脈沖頻率;同時改變脈沖寬度和頻率。實際結(jié)果表明,第3種效果最好。
2.切割加工小孔(直徑小與板厚)變形情況的分析
這是因為機(jī)床(只針對大功率激光切割機(jī))在加工小孔時不是采取爆破穿孔的方式,而是用脈沖穿孔(軟穿刺)的方式,這使得激光能量在一個很小的區(qū)域過于集中,將非加工區(qū)域也燒焦,造成孔的變形,影響加工質(zhì)量。這時我們應(yīng)在加工程序中將脈沖穿孔(軟穿刺)方式改為爆破穿孔(普通穿刺)方式,加以解決。而對于較小功率的激光切割機(jī)則恰好相反,在小孔加工時應(yīng)采取脈沖穿孔的方式才能取得較好的表面光潔度。
3. 激光切割低碳鋼時,工件出現(xiàn)毛刺的解決方法
根據(jù)CO2激光切割的工作和設(shè)計原理,分析得出以下幾點原因是造成加工件產(chǎn)生毛刺的主要原因:激光焦點的上下位置不正確,需要做焦點位置測試,根據(jù)焦點的偏移量進(jìn)行調(diào)整;激光的輸出功率不夠,需要檢查激光發(fā)生器的工作是否正常,如果正常,則觀察激光控制按鈕的輸出數(shù)值是否正確,加以調(diào)整;切割的線速度太慢,需要在操作控制時加大線速度;切割氣體的純度不夠,需要提供高質(zhì)量的切割工作氣體;激光焦點偏移,需要做焦點位置測試,根據(jù)焦點的偏移量進(jìn)行調(diào)整;機(jī)床運(yùn)行時間過長出現(xiàn)的不穩(wěn)定性,此時需要關(guān)機(jī)重新啟動。
4. 激光切割加工不銹鋼和敷鋁鋅板時,工件有毛刺產(chǎn)生的分析
以上情況的出現(xiàn),首先考慮切割低碳鋼時出現(xiàn)毛刺的因素,但不可簡單地加快切割速度,因為增加速度有時會出現(xiàn)板材切割不穿的情況,此種情況在加工敷鋁鋅板時尤為突出。這時應(yīng)綜合考慮機(jī)床的其他因素加以解決,如噴嘴是否要更換,導(dǎo)軌運(yùn)動不穩(wěn)定等。
5. 激光未完全切割透狀態(tài)的分析
分析后可以發(fā)現(xiàn)下面的幾種情況是產(chǎn)生加工不穩(wěn)定的主要情況:激光頭噴嘴的選擇與加工板厚不匹配;激光切割線速度過快,需要操作控制減小線速度;噴嘴感應(yīng)不準(zhǔn)導(dǎo)至激光焦點位置誤差過大需重新檢測噴嘴感應(yīng)數(shù)據(jù),特別是在切割鋁材時最容易出現(xiàn).
6. 切割低碳鋼時出現(xiàn)非正�;鸹ǖ慕鉀Q方法
這種情況會影響零件的切割斷面光潔度加工質(zhì)量。此時在其他參數(shù)都正常的情況下,應(yīng)考慮以下情況:激光頭噴嘴NOZZEL的損耗,應(yīng)及時更換噴嘴。在無新噴嘴更換的情況下,應(yīng)加大切割工作氣體壓力;噴嘴與激光頭連接處螺紋松動。此時應(yīng)立即暫停切割,檢查激光頭連接狀態(tài),重新上好螺紋。
1.切割穿孔技術(shù)
任何一種熱切割技術(shù),除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一個小孔。之前在激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一個孔,然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機(jī)
有兩種穿孔的基本方法:
爆破穿孔——材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一個凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一個孔。一般孔的大小與板厚有關(guān),爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在加工精度要求較高的零件上使用,只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。
脈沖穿孔——采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質(zhì)量優(yōu)于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應(yīng)具有較高的輸出功率;更重要的是光束的時間和空間特性,因此一般橫流CO2激光器不能適應(yīng)激光切割的要求。此外脈沖穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng),以實現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過渡技術(shù)應(yīng)加以重視。從理論上講通常可改變加速段的切割條件,如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實際上由于時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實,具體方法是改變脈沖寬度;改變脈沖頻率;同時改變脈沖寬度和頻率。實際果表明,第3種效果最好。
2.切割加工小孔(直徑小與板厚)變形情況的分析
這是因為機(jī)床(只針對大功率
激光切割機(jī))在加工小孔時不是采取爆破穿孔的方式,而是用脈沖穿孔(軟穿刺)的方式,這使得激光能量在一個很小的區(qū)域過于集中,將非加工區(qū)域也燒焦,造成孔的變形,影響加工質(zhì)量。這時我們應(yīng)在加工程序中將脈沖穿孔(軟穿刺)方式改為爆破穿孔(普通穿刺)方式,加以解決。而對于較小功率的激光切割機(jī)則恰好相反,在小孔加工時應(yīng)采取脈沖穿孔的方式才能取得較好的表面光潔度。
3. 激光切割低碳鋼時,工件出現(xiàn)毛刺的解決方法
根據(jù)CO2激光切割的工作和設(shè)計原理,分析得出以下幾點原因是造成加工件產(chǎn)生毛刺的主要原因:激光焦點的上下位置不正確,需要做焦點位置測試,根據(jù)焦點的偏移量進(jìn)行調(diào)整;激光的輸出功率不夠,需要檢查激光發(fā)生器的工作是否正常,如果正常,則觀察激光控制按鈕的輸出數(shù)值是否正確,加以調(diào)整;切割的線速度太慢,需要在操作控制時加 大線速度;切割氣體的純度不夠,需要提供高質(zhì)量的切割工作氣體;激光焦點偏移,需要做焦點位置測試,根據(jù)焦點的偏移量進(jìn)行調(diào)整機(jī)床運(yùn)行時間過長出現(xiàn)的不穩(wěn)定性,此時需要關(guān)機(jī)重新啟動。
4. 激光切割
加工不銹鋼和敷鋁鋅板時,工件有毛刺產(chǎn)生的分析
以上情況的出現(xiàn),首先考慮切割低碳鋼時出現(xiàn)毛刺的因素,但不可簡單地加快切割速度,因為增加速度有時會出現(xiàn)板材切割不穿的情況,此種情況在加工敷鋁鋅板時尤為突出。這時應(yīng)綜合考慮機(jī)床的其他因素加以解決,如噴嘴是否要更換,導(dǎo)軌運(yùn)動不穩(wěn)定等。
5. 激光未完全切割透狀態(tài)的分析
分析后可以發(fā)現(xiàn)下面的幾種情況是產(chǎn)生加工不穩(wěn)定的主要情況:激光頭噴嘴的選擇與加工板厚不匹配;激光切割線速度過快,需要操作控制減小線速度;另外,還需要特別注意的是,在L3030激光切割機(jī)切割5mm以上碳素鋼板時需要更換7.5″焦距的激光鏡片。
6. 切割低碳鋼時出現(xiàn)非正�;鸹ǖ慕鉀Q方法
這種情況會影響零件的切割斷面光潔度加工質(zhì)量。此時在其他參數(shù)都正常的情況下,應(yīng)考慮以下情況:激光頭噴嘴NOZZEL的損耗,應(yīng)及時更換噴嘴。在無新噴嘴更換的情況下,應(yīng)加大切割工作氣體壓力;噴嘴與激光頭連接處螺紋松動。此時應(yīng)立即暫停切割,檢查激光頭連接狀態(tài),重新上好螺紋。
7. 激光切割加工時穿刺點的選擇
激光切割
加工時激光束的工作原理是:在加工過程中,材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一個凹坑,然后由與激光束同軸的工作氣流很快將熔融材料去除形成一個孔。此孔類似于線切割的穿線孔,激光束以此孔為加工啟始點進(jìn)行輪廓切割,通常情況下飛行光路激光束的走線方向和被加工零件切割輪廓的切線方向垂直。
因此,激光束在開始穿透鋼板時到進(jìn)入零件輪廓切割的這一段時間,其切割速度在矢量方向上將有一個很大的改變,即矢量方向的
90°旋轉(zhuǎn),由垂直于切割輪廓的切線方向轉(zhuǎn)為與切割輪廓的切線重合,即與輪廓切線的夾角為0°。
這樣就會在被加工材料的切割斷面上流下比較粗糙的切割面,這主要是在短時間內(nèi),激光束在移動中的矢量方向變化很快所至。因此在采用激光切割加工零件時就要注意這方面的情況。一般,在設(shè)計零件對表面切割斷口沒有粗糙度要求時,可以在激光切割編程時不做手動處理,讓控制軟件自動產(chǎn)生穿刺點;但是,當(dāng)設(shè)計對所要加工的零件切割斷面有較高粗糙度要求時,就要注意到這個問題,通常需要在編激光切割程序時對激光束的啟始位置做手動調(diào)整,即人工對于穿刺點的控制。需要把激光程序原來產(chǎn)生的穿刺點移到需要的合理位置,以達(dá)對加工零件表面精度的要求。
等離子切割與火焰切割的比較
等離子切割是利用具有很高能量密度的高溫等離子電弧對切口集中加熱,快速熔斷的切割技術(shù),等離子切割被認(rèn)為是中薄板最理想的切割方法之一,以其切割效率高,質(zhì)量好而倍受用戶的歡迎。特別是90年代以來,由于等離子技術(shù)的不斷改進(jìn),其消耗品如電極、噴嘴、渦流環(huán)的使用壽命不斷提高,使得等離子消耗品的費(fèi)用大幅度下降,為等離子切割的應(yīng)用拓寬了廣擴(kuò)的前景。
切割質(zhì)量的比較
切割質(zhì)量對比,更顯現(xiàn)出等離子切割的優(yōu)越性。等離子切割的工件無毛刺和掛渣,表面光滑無塌邊,切割表面光潔度達(dá)3,切割精度每米長公差不大于0.5mm,工件變形小,可以代替或省掉機(jī)加工工序,通過實際證明,等離子切割的零件不進(jìn)行機(jī)加工完全滿足焊接裝配質(zhì)量要求。
經(jīng)濟(jì)效益的比較
采用等離子切割的工件,可以省去機(jī)加工的要求,即可以節(jié)省機(jī)加工設(shè)備,每年省去機(jī)加工費(fèi)用幾十萬元,不僅如此,由于等離子切割的效率高,一臺等離子可以代替2-3臺火焰切割機(jī),并大大壓縮生產(chǎn)作業(yè)的面積,提高廠房有效利用效率,其綜合效益是非常可觀的。
五、結(jié)論
等離子切割機(jī)消耗成本與火焰相當(dāng),但由于其高效率、高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益可觀,雖然上一
臺等離子切割機(jī)一次投資大,但仍舊是最佳選擇,建議工廠領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)造條件購進(jìn)數(shù)控等離子切
割機(jī)。廠方可在配置上選擇一把火焰和一把等離子割槍,這樣可以為以后的生產(chǎn)量加大而有
準(zhǔn)備。






