.第七章 激光切割質量控制2一、光束特性對切割質量的影響3二、激光功率對切割質量的影響5三、切割速度對切割質量的影響7四、噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度對切割質量的影響81.噴嘴的作用82.噴嘴與切割質量的關系8五、焦點位置對切割質量的影響10六、輔助氣體（種類和壓力）對切割質量的影響13附錄1不同材料切割的缺陷及處理方法15附錄2有切割缺陷實物照片22激光切割質量控制激光切割的過程是材料吸收光能并轉化為熱能，并使材料熔化、汽化的過程。1) 激光器輸出高能量密度的激光束。2) 光束通過聚焦鏡，被聚焦，能量高度集中。3) 聚焦后的光束從噴嘴中心通過，噴嘴內噴出切割輔助氣體，其軸心與光路相同。4) 在激光束和切割氣體的共同作用下，切割材料迅速加熱、氧化與蒸發(fā)，達到切割目的。激光切割的基本原理是激光與物質的相互作用，它既包含復雜的微觀量子過程，也包含激光作用于各種介質材料所發(fā)生的宏觀現(xiàn)象。而這些宏觀現(xiàn)象包括材料對激光的吸收、反射、折射，能量轉換和傳遞，材料狀態(tài)及周圍氣體成份，光束作用于材料表面時的組織效應等。因此，影響激光切割質量的因素十分復雜，除了加工材料本身之外，主要是光束特性、激光功率、切割速度、噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度、焦點位置、輔助氣體種類和壓力等。一、 光束特性對切割質量的影響激光切割的切口寬度同光束模式和聚焦后光斑直徑有較大關系。由于激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑有關，為了獲得較大的功率密度和能量客度，在激光切割加工中，光斑直徑要求盡可能小。而光斑直徑的大小主要取決于振蕩器輸出的激光束直徑及其發(fā)散角的大小，同時與聚焦透鏡的焦距有關。對于一般激光切割中應用較廣的ZnSe平凸聚焦透鏡，其光斑直徑d與焦距、發(fā)散角及入射激光束直徑D之間的關系可按下式進行計算： （7.1）由上式，若激光束本身的發(fā)散角較小，光斑的直徑也會變小，就能獲得好的切割效果。減小透鏡焦距有利于縮小光斑直徑，但減小，焦深縮短，對于切割較厚板材，就不利于獲得上部和下部等寬的切口，影響割縫質量；同時，減小，透鏡與工件的間距也縮小，切割時熔渣會飛濺黏附在透鏡表面，影響切割的正常進行和透鏡的實驗壽命。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于薄板高速切割，只需保證保持透鏡和工件間距恒定。長焦透鏡的聚焦光斑功率密較低，但其焦深大，可用來切割厚斷面材料。焦長短，聚焦光斑??；焦長長，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。當透鏡焦長增加，使聚焦光斑尺寸增加1倍，即從Y到2Y時，焦深可隨之增加到4倍，即從X到4X。圖1 聚焦鏡的聚焦作用光束模式與它的聚焦能力有關，與機械刀具的刃口尖銳度有點相似。最低階模是TEM00，光斑內能量呈高斯分布。它幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸，如幾個微米直徑，并形成尖的高能量密度。激光模式示意如圖3-3。而高階或多模光束的能量分布較擴張，經聚焦的光斑較大而能量密度較低，用它來切割材料如同拿一把鈍刀來進行切割。圖2 光束能量分布模式光束的模式越低，聚焦后的光斑尺寸越小，功率密度和能力密度越大，切割性能也就越好。在低碳鋼的切割場合，采用基模TEM00時的切割速度比采用TEM01模式時高出10，而其產生的粗糙度Rz則要低10m。在最佳切割參數(shù)時，切割面的粗糙度Rz只有0.8m。因此，在金屬材料的激光切割中，為了獲得較高的切割速度和較好的切割質量，一般使用TEM00模式的激光。二、 激光功率對切割質量的影響激光功率的大小直接影響所能切割鋼板的厚度，能量越高，可切割材料厚度就越厚。另外，它又影響著工件尺寸精度、切縫寬度、切割面的粗糙度和熱影響區(qū)的寬度等。在激光切割加工中，照射到工件上的激光功率密度P0（W/cm2）和能量密度E0(J/cm2)對激光切割過程起著重要的影響。隨著激光功率密度的提高，粗糙度降低。當功率密度P0達到某一值（3106W/cm2左右）后，粗糙度Rz值不再減少。激光功率越大，所能切割的材料厚度也越厚；但相同功率的激光，因材料不同，所能切割的厚度也不同。表1給出了各種功率的CO2激光切割某些金屬材料的實驗最大厚度。表1 激光功率與金屬最大切割厚度CO2激光功率/W最大切割厚度/mm碳素鋼不銹鋼鋁合金銅黃銅1500129312150012-63430002212-55400025141058對連續(xù)波輸出的激光器來說，激光功率大小和模式都會對切割質量發(fā)生重要影響。實際操作時，常常設置最大功率，以獲得最快切割速度，提高生產效率，或用以切割較厚的材料。理論上，我們要求激光器輸出功率越大越好，但考慮激光器本身成本問題，激光器輸出功率只有盡可能達切割機本身的最大值。下圖示出當激光功率不足時，切割低碳鋼板產生的問題（未切透a、下部產生大量沾渣b及粗糙的斷面c等）。(a) (b)(c)圖3 激光功率對低碳鋼切割質量影響三、 切割速度對切割質量的影響切割速度對不銹鋼板切割質量有很大影響，最佳的切割速度使切割面呈較平穩(wěn)線條，光滑且下部無熔渣產生。若切割速度過快，會導致鋼板無法切透，引起火花飛濺，下半部產生熔渣，甚至燒傷透鏡，這是因為切割速度過高，單位面積獲得的能量減少，金屬未能完全熔化；若切割速度過慢，則容易造成材料過熔，切縫變寬，熱影響區(qū)增大，甚至引起工件過燒，這是因為切割速度過低，能量在切縫處積累，引起切縫變寬，熔化金屬不能及時排出，便在鋼板下表面形成沾渣。產生如圖3所示的切割缺陷。切割面光潔 下表面沾渣斷面粗糙 切不透圖4切割速度對切割質量的影響切割速度和激光輸出功率一起決定被加工件的輸入熱量。因此，由于切割速度的增減而引起的輸入熱量變化和加工質量的關系與輸出功率變化的情況相同。一般情況下，調整加工條件時，若以改變輸入熱量為目的，不會同時改變輸出功率和切割速度，只需固定其中一方，變化另一方來調整加工質量即可。四、 噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度對切割質量的影響噴嘴形狀(孔徑)、噴嘴高度（噴嘴出口與工件表面之間的距離）等，均會影響切割的效果。1. 噴嘴的作用控制氣體擴散面積，從而控制切割質量。圖5 氣體從噴嘴噴出的情況2. 噴嘴與切割質量的關系噴嘴出口孔中心與激光束的同軸度是影響切割質量優(yōu)劣的重要因素之一，工件越厚，影響越大。當噴嘴發(fā)生變形或有熔漬時，將直接影響同軸度。噴嘴形狀和尺寸精度要求高，故噴嘴應小心保存，避免碰傷以免造成變形。如果由于噴嘴的狀況不良，從而需要要改變切割時的各項條件，那就不如更換新的噴嘴。如果噴嘴與激光不同軸，將對切割質量產生如下影響。a 對切割斷面的影響如圖所示，當輔助氣體從噴嘴吹出時，氣量不均勻，出現(xiàn)一邊有熔漬，另一邊沒有的現(xiàn)象。對切割3mm以下薄板時，它的影響較小，切割3mm以上時，影響較嚴重，有時無法切透。圖6 同軸度對切割斷面的影響b 對尖角的影響工件有尖角或角度較小時，容易產生過熔現(xiàn)象，厚板則可能無法切割。c 對穿孔的影響穿孔不穩(wěn)定，時間不易控制，對厚板會造成過熔，且穿透條件不易掌握。對薄板影響較小。五、 焦點位置對切割質量的影響焦點位置是指焦點距工件上表面的距離，以被加工材料表面為基準，工件表面以上為正，以下為負。圖7 焦點位置焦點位置直接影響切口寬度、坡度、切斷面粗糙度及沾渣附著情況。焦點位置不同，被加工物表面的光束直徑及焦點深度即不同，進而引起加工溝的形狀變化，影響加工溝內的加工氣體及熔融金屬的流動。 由于能量密度與4/d2（d為焦點光斑直徑）成正比，所以d應盡可能的小，以便產生窄的切縫。同時d和透鏡的焦深成正比，焦深越小，d就越小。但切割有飛濺，透鏡離工件太近容易被損壞，因此一般高功率激光切割工業(yè)應用中廣泛采用57.5（127190 mm）的焦距，實際焦點光斑直徑在0.10.4 mm 之間。因此控制焦點位置十分重要?？紤]到切割質量、切割速度等因素，原則上厚度<6 mm的金屬材料，焦點位置在表面；厚度>6 mm 的碳鋼，焦點位置在表面之上；在切割不銹鋼板時，焦點位置一般取在表面以下。通常切割厚度為4 mm 以下材料時，選用5聚焦鏡。飛行光路切割機切割近端和遠端時光程長短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大，焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化，可安裝光路補償系統(tǒng)，以保持近端和遠端的光程不變。激光束通過聚焦透鏡，如圖8所示。圖8 光束通過透鏡后形成的焦點光斑直徑由下式計算： （2）其中：D聚焦前光束直徑；K光束質量因子此外，引起焦點位置對切割質量影響的另一個因素是聚焦深度，其計算公式為： （3）由以上分析知，在不出現(xiàn)沾渣的情況下，焦點位置越靠近鋼板中部，切割面越平滑。焦點位置的選取對不銹鋼板切割質量有重要影響。當焦點位置合適時，切割下的材料熔化，而切割沿附近的材料并未熔化，渣滓即被吹走，形成無沾渣的切縫，如下圖（a）所示；當焦點位置滯后時，切割材料下端單位面積所吸收的能量減少，切割能量削弱，導致材料不能完全熔化被輔助氣體吹走，以致未完全熔化的材料附著在切割板材下表面，呈前端尖銳且短小的沾渣，如下圖（b）所示；當焦點位置超前時，切割材料下端單位面積所吸收的平均能量增大，導致所切割下的材料與切割沿附近的材料融化，并呈液體流動狀，這時由于輔助氣壓及切割速度不變，所熔化的材料呈球狀沾附在材料下表面，如下圖（c）所示。故在切割過程中可以通過觀察沾渣形態(tài)來調節(jié)焦點位置，保證切割質量。 (a)無沾渣 (b)尖銳且短小沾渣 (c)球狀沾渣 圖9 焦點位置對沾渣的影響 焦點位置合適 焦點位置偏小 焦點位置偏大圖10 不同焦點位置對切割質量的影響在實際生產中，要求激光切割不銹鋼板焦點選取在材料表面或表面以下。這正是因為擴大切割溝上部寬度，提高氣體及熔融物的流動性，并使平滑面范圍擴大，提高切割質量。在切割過程中，對不同厚度的鋼板，焦點位置并沒有一個確定的值，當焦點位置取在鋼板表面或表面以上時，由于鋼板下部平均功率密度小，能量不足，易在下表面產生沾渣。因此，激光切割不銹鋼板時，焦點位置應該選取在材料內部。以提高氣體及熔融金屬的流動性，保證了下部有足夠的能量密度，使平滑面范圍擴大。具體數(shù)值通過實驗確定。六、 輔助氣體（種類和壓力）對切割質量的影響一般情況下，材料切割都需要使用輔助氣體，主要涉及氣體種類和壓力。氣體種類、氣壓、噴嘴直徑和幾何結構影響邊緣粗糙度和毛刺的生成，氣體消耗取決于噴嘴直徑和氣壓，切割氣壓在0.5MPa以下為低氣壓，2MPa以上為高壓。通常，輔助氣體與激光束同軸噴出，可以保護聚焦透鏡不被污染的同時，又可吹走切割區(qū)底部熔渣。在一般切割中使用的氣體種類有氧氣、氮氣和空氣，不同切割材料要求不同輔助氣體種類。氧氣主要用于開孔、碳鋼和不銹鋼板的高速切割、高反射材料的氧化切割；氧氣作為輔助氣體還可以使金屬燃燒，利用其氧化反應熱進行高效率的切割，但同時會在切割面上產生氧化膜；氮氣主要用于不銹鋼板的無氧化切割、鍍鋅板的無沾渣切割；空氣主要用于鋁和鍍鋅鋼板的無沾渣切割、普通非金屬切割。輔助氣體壓力隨使用氣體的種類，切割材料材質，板厚及激光輸出形態(tài)（CW/脈沖）而不同。輔助氣體壓力大小影響受粘渣附著、切割面質量、熱影響區(qū)域大小等。加工時噴嘴出口氣壓條件如下表所示：表2 各切割工藝與輔助氣體壓力之間關系開孔（MPa）薄碳鋼O2切割(MPa)厚碳鋼O2切割(MPa)不銹鋼N2切割(MPa)鋁材Air切割(MPa)丙烯樹脂凈面切割(MPa)0.02-0.050.1-0.30.05-0.10.6-1.50.6-1.0<0.01在確定輔助氣體類型的前提下，氣體壓力大小是一個極為重要的因素，若輔助氣體壓力過高，會在工件表面形成渦流，削弱氣流去除熔融材料的能力，造成切割面較粗糙，切縫較寬；若輔助氣體壓力過低，則吹不走切口處的熔融材料，在被切割材料背面產生沾渣。因此，輔助氣體壓力存在一個最佳值。當高速切割薄型材料時，需要較高的氣體壓力，以防切口背面產生沾渣；當材料厚度增加，或切割速度較慢時，則氣體壓力宜適當降低。以不銹鋼板激光切割為例，在其切割過程中，輔助氣體可以冷卻切縫鄰近區(qū)域，減少熱影響區(qū)，防止燃燒物損壞透鏡。另外，使用氮氣作為輔助氣體，它可以使熔融金屬具有良好的流動性。在實際加工中，因工藝參數(shù)不當而引起加工缺陷，原因復雜。根據(jù)幾十年的激光切割工藝經驗，總結出切割缺陷的應對之策，以指導實際生產，很有意義。詳見附錄。附錄1不同材料切割的缺陷及處理方法碳鋼：用O2切割缺陷可能原因解決辦法底部的牽引線有很大的偏移，底部的切口更寬進給速率太高激光功率太低氣壓太低焦點太高減小進給速率增加激光功率加大氣壓降低焦點底面上的毛刺類似熔渣，成點滴狀并容易除去進給速率太高氣壓太低焦點太高減小進給速率加大氣壓降低焦點連在一起的金屬毛刺可以作為一整塊被除去焦點太高降低焦點底面上的金屬毛刺很難除去進給速率太高氣壓太低氣體不純焦點太高減小進給速率加大氣壓使用更純的氣體降低焦點只在一邊上有毛刺噴嘴未對中噴嘴口有缺陷對中噴嘴換噴嘴材料從上面排出功率太低進給速率太高立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上。然后增加功率，減小進給速率傾斜面切割兩面好，兩面差極化反射鏡不合適，安裝不正確或有缺陷極化反射鏡安裝在了偏轉鏡的位置檢查極化反射鏡檢查偏轉鏡藍色等離子體，工件未切透加工氣體錯誤（N2）進給速率太高功率太低立即停止切割，以防止溶渣飛濺到聚焦鏡上。改用O2作為加工氣體減小進給速率增加功率切割表面不精密氣壓太高噴嘴損壞了噴嘴直徑太大材料不好減小氣壓更換噴嘴安裝合適的噴嘴使用表面平滑均勻的材料無毛刺，牽引線傾斜切口在底部變得更狹窄進給速率太高減小進給速率產生彈坑氣壓太高進給速率太低焦點太高板材表面有銹加工的工件過熱材料不純減小氣壓增加進給速率降低焦點使用質量更好的材料非常粗糙的切割表面焦點太高氣壓太高進給速率太低材料太熱降低焦點減小氣壓增加進給速率冷卻材料不銹鋼：用高壓N2切割缺陷可能原因解決辦法產生點滴狀的細小規(guī)則毛刺焦點太低進給速率太高抬高焦點減小進給速率兩邊都產生長的不規(guī)則的細絲狀毛刺，大板材的表面變色進給速率太低焦點太高氣壓太低材料太熱增加進給速率降低焦點加大氣壓冷卻材料只在切割邊緣的一邊產生長的不規(guī)則的毛刺噴嘴未對中焦點太高氣壓太低速度太低對中噴嘴降低焦點加大氣壓提高速度切割邊緣發(fā)黃氮氣里含有氧氣雜質使用質量好的氮氣在直線截面上產生等離子體進給速率太高功率太低焦點太低立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上減小進給速率增加功率抬高焦點光束分散進給速率太高功率太低焦點太低減小進給速率增加功率抬高焦點拐角處產生等離子體角度公差太高調制太高加速度太高減小角度公差減小調制或加速度光束在開始處發(fā)散加速度太高焦點太低熔化的材料未能排出減小加速度抬高焦點穿圓孔切口粗糙噴嘴損壞了透鏡臟了更換噴嘴清洗透鏡，如果需要就更換材料從上面排出功率太低進給速率過大氣壓太高立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上增加功率減小進給速率減小氣壓合金：用高壓N2切割缺陷可能原因解決辦法兩邊都產生長的不規(guī)則的細絲狀毛刺，很難除去焦點太高氣壓太低進給速率太低降低焦點加大氣壓增加進給速率兩邊都產生長的不規(guī)則的毛刺，可手工除去進給速率太低增加進給速率切口粗糙噴嘴直徑太大噴嘴損壞了氣壓太高安裝合適的噴嘴更換噴嘴減小氣壓細小規(guī)則的毛刺，很難除去焦點太低進給速率太高抬高焦點減小進給速率在直線截面上產生等離子體進給速率太高焦點太低減小進給速率抬高焦點光束分散進給速率太高減小進給速率拐角處產生等離子體角度公差太高調制太高加速度太高減小角度公差減小調制或加速度光束在開始處發(fā)散進場速度太高焦點太低減小進場速度抬高焦點切口粗糙噴嘴損壞了更換噴嘴材料從上面排出功率太低進給速率過大立即停止切割，以免溶渣飛濺到聚焦鏡上增加功率減小進給速率附錄2有切割缺陷實物照片1不銹鋼切割缺陷缺陷可能的原因排除速度太快焦點太低功率太低降低速度增加功率中心不對噴嘴內孔不流暢、不圓.光路不正檢查中心檢查噴嘴狀況檢查光路焦點太低提高焦點，每次0.1-0.2 mm氮氣壓力太低增加氮氣壓力焦點太高降低焦點，每次0.1-0.2 mm切割速度太快切割速度每次減少50-200 mm/min焦點太低焦點每次提高 0.1-0.2 mm氮氣不純氣管中存在氧氣或空氣檢查氮氣的純度.增加延時以清潔氣管檢查氣路(不漏)2.碳鋼缺陷可能的原因排除透鏡中心不正噴嘴孔堵或不圓 光路不正檢查透鏡中心檢查噴嘴狀態(tài)檢查光路，重新打靶引入線長或引入方式不對線型不對穿孔時間太長切割時的熱量太多改正引入方式和引入長度檢查線型穿孔時間2秒減少占空比，每次2-3%壓力太高焦點太高功率太高材料不好減小壓力，每次 0.1 bar減小功率檢查透鏡的焦點功率低速度高壓力低增加功率降低速度增加壓力速度太高功率低壓力太低減少速度增加占空比，每次 5-10%增加功率，每次100W逐步增加壓力，每次 0.1-0.2bar局部熱量太多材料問題改變切割順序更換材料壓力太高速度太高減少壓力，每次0.1-0.2bar降低速度焦點太低壓力太低提高焦點，每步0.1-0.2 mm增加壓力，每步 0.1-0.2 bar.