保證激光切割質(zhì)量的主要因素

　　對(duì)給定的激光功率密度和材料，切割速度符合于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)式，只要在通閾值以上，材料的切割速度與激光功率密度成正比，即增加功率密度可提高切割速度。這里所指的功率密度不但與激光輸出功率有關(guān)，而且與光束質(zhì)量模式有關(guān)。另外，光束聚焦系統(tǒng)的特征，即聚焦后的光斑大小也對(duì)激光切割有很大的影響。

　　切割速度與被切割材料的密度（比重）和厚度成反比。

　　當(dāng)其他參數(shù)保持不變，提高切割速度的因素是：提高功率（在一定范圍內(nèi)，如500～2 000W）；改善光束模式（如從高階模到低階模直至TEM00）；減小聚焦光斑尺寸（如采用短焦距透鏡聚焦）；切割低起始蒸發(fā)能的材料（如塑料、有機(jī)玻璃等）；切割低密度材料（如白松木等）；切割薄型材料。

　　特別對(duì)金屬材料而言，在其他工藝變量保持恒定的情況下，激光切割速度可以有一個(gè)相對(duì)調(diào)節(jié)范圍而仍能保持較滿意的切割質(zhì)量，這種調(diào)節(jié)范圍在切割薄金屬時(shí)顯得比厚件稍寬。有時(shí)，切割速度偏慢也會(huì)導(dǎo)致排出熱融材料燒蝕口表面，使切面很粗糙。

 

　　由于激光功率密度對(duì)切割速度影響很大，透鏡焦長(zhǎng)的選擇是個(gè)重要問題。激光束聚焦后光斑大小與透鏡焦長(zhǎng)成正比，光束經(jīng)短焦長(zhǎng)透鏡聚焦后光斑尺寸很小，焦點(diǎn)處功率密度很高，對(duì)材料切割很有利；但它的缺點(diǎn)是焦深很短，調(diào)節(jié)余量小，一般比較適用于高速切割薄型材料。由于長(zhǎng)焦長(zhǎng)透鏡有較寬焦深，只要具有足夠功率密度，比較適合切割厚工件。

　　在確定使用何種焦長(zhǎng)的透鏡以后，焦點(diǎn)與工件表面的相對(duì)位置對(duì)保證切割質(zhì)量尤為重要。由于焦點(diǎn)處功率密度最高，大多數(shù)情況下，切割時(shí)焦點(diǎn)位置剛處在工件表面，或稍微在表面以下。在整個(gè)切割過程中，確保焦點(diǎn)與工件相對(duì)位置恒定是獲得穩(wěn)定的切割質(zhì)量的重要條件。有時(shí)，透鏡工作中因冷卻不善而受熱從而引起焦長(zhǎng)變化，這就需要及時(shí)調(diào)整焦點(diǎn)位置。

　　當(dāng)焦點(diǎn)處于最佳位置時(shí)，割縫最小、效率最高，最佳切割速度可獲得最佳切割結(jié)果。

　　在大多數(shù)應(yīng)用情況下，光束焦點(diǎn)調(diào)整到剛處于噴嘴下。噴嘴與工件表面間距一般為1.5mm左右。

 

　　一般情況下，材料切割都需要使用輔助氣體，問題主要牽涉到輔助氣體的類型和壓力。通常，輔助氣體與激光束同軸噴出，保護(hù)透鏡免受污染并吹走切割區(qū)底部熔渣。對(duì)非金屬材料和部分金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，清除融化和蒸發(fā)材料，同時(shí)抑制切割區(qū)過度燃燒。

　　對(duì)大多數(shù)金屬激光切割則使用活性氣體（只要是O2），形成與熾熱金屬發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，這部分附加熱量可提高切割速度1/3～1/2。

　　在確保輔助氣體前提下，氣體壓力大小是個(gè)極為重要的因素。當(dāng)高速切割薄型材料時(shí)，需要較高的氣體壓力以防止切口背面粘渣（熱粘渣到工件上還會(huì)損傷切邊）。當(dāng)材料厚度增加或切割速度較慢時(shí)則氣體壓力宜適當(dāng)降低，為了防止塑料切邊霜化，也以較低氣體壓力切割為好。

　　激光切割實(shí)踐表明，當(dāng)輔助氣體為O2時(shí)，它的純度對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響。O2純度降低2%會(huì)降低50%的切割速度，并導(dǎo)致切口質(zhì)量顯著變差。

 

　　對(duì)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(huì)對(duì)切割發(fā)生重要影響。實(shí)際操作時(shí)，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(shí)顯得更加重要，而且，當(dāng)提高輸出功率時(shí)，模式常隨之稍有變差。?？砂l(fā)現(xiàn)，在小于最大功率狀況下焦點(diǎn)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(gè)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(dòng)，都會(huì)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(diǎn)位置、輔助氣體壓力和激光功率及模式結(jié)構(gòu)是4個(gè)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(shí)加以調(diào)控。

 

　　對(duì)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(duì)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(duì)它吸收較好，即具有高的吸收率，面金屬材料則對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)大幅度提高，從而獲得較好的切割效果。

　　對(duì)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(zhǎng)有關(guān)。

　　材料對(duì)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(duì)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(duì)光束的吸收，尤其是表面粗糙度和表面氧化層會(huì)造成表面吸收率的明顯變化。在激光切割實(shí)踐中，有時(shí)可利用材料表面狀態(tài)對(duì)光束吸收率的影響來改善材料的切割性能。

 

　　1.割炬和噴嘴的影響

　　割炬的設(shè)計(jì)和制造對(duì)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(huì)在噴嘴中形成渦流，導(dǎo)致切割性能明顯變差。有時(shí)，噴嘴口與聚焦光束不同軸，形成光束剪切噴嘴邊緣，也會(huì)影響切邊質(zhì)量，增加切縫寬度和使切割尺寸錯(cuò)位。

　　對(duì)噴嘴來說，要特別注意兩個(gè)問題。

　?。?）噴嘴直徑的影響。噴嘴口大小對(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致切縫過寬，而噴嘴大小會(huì)引起準(zhǔn)直困難，噴嘴口有被光束削截的危險(xiǎn)，而且，切縫過窄，在高的切割速度下會(huì)阻礙熔渣的順利排出。

　?。?）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(duì)透鏡會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的返回壓力，減弱了對(duì)濺散切割產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)散能力，對(duì)切割質(zhì)量有不利影響，但距離太遠(yuǎn)又會(huì)造成不必要的動(dòng)能損失，對(duì)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(dòng)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(shí)調(diào)整，確保當(dāng)切割炬在工件上方運(yùn)行時(shí)，光束正確地傳輸?shù)酵哥R中心并聚焦成很小的光點(diǎn)，對(duì)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(huì)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(diǎn)粘結(jié)，或者鏡片冷卻不足，都會(huì)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(huì)產(chǎn)生焦點(diǎn)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(diǎn)，對(duì)它的清理是個(gè)極為重要而往往會(huì)被忽視的問題，下面列出一些清洗要點(diǎn)：

　?。?）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(shí)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(wàn)不要將清洗后剩下的丙酮液倒回到新的丙酮瓶中。

　?。?）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(wú)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?yàn)樗荒苠儗?，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?yàn)楹芏噱儗尤芙庥谒?，鏡片將遭破壞。

 

文章來源：法利萊