激光切割及其加工系統(tǒng)基礎專題——柳州激光切割工藝

三、激光切割工藝

3.1 激光切割的工藝參數(shù)

1、光束橫模

① 基模 TEM。又稱高斯模，是切割最理想的模式，主要出現(xiàn)在功率小于 1kW 的激光器中。

②低階模。與基模比較接近，主要出現(xiàn)在1~2kW的中功率激光器中。

③多模。是高階模的混合，出現(xiàn)在功率大于3kW的激光器中。

光束的模式越低，聚焦后的光斑尺寸越小，輻射照度越大，功率密度和能量密度越大，切口越窄，切割效率和切割面質量也越高。在切割低碳鋼時，采用基模TEM。的切割速度要比低階模TEM。提高10%，而切口表面粗糙度TEM。模式比TEM。模式低10um，在選用最佳切割參數(shù)時，切口表面粗糙度Ra可達0.8um。因此，切割金屬材料時，從獲得較高切口質量角度考慮，一般選用TEM模式的高光束質量的激光。

切割速度與橫模及板厚的關系如下圖所示。300W的單模激光和500W的多模激光有同等的切割能力。但是，多模的聚焦性差，切割能力低，單激光的切割能力優(yōu)于多模激光。500W用基模TEM。激光切割厚度2mm不銹鋼時，切割速度可達2m/min，而用低階模TEM激光切割時僅為 1m/min。

2、激光束的偏振性

像任何類型電磁波傳輸一樣，激光束也具有相互成90°并與光束運行方向垂直的電、磁分矢量，在光學領域把電矢量方向作為激光束的偏振方向。在切割金屬和陶瓷時，明顯表現(xiàn)出的切邊質量不一致，如切縫寬度與切口粗糙度、垂直度的變化，就是偏振效應引起的，它能影響瞬間耦合到材料的光束能量的吸收程度。柳州激光切割

激光束的偏振性對切割質量和效率有很大影響。如果采用線偏振光進行切割，切割方向相對于光束的偏振方向發(fā)生變化，切割前沿對激光的吸收率就發(fā)生變化，從而影響激光切割的效率。

①當切割方向與偏振方向平行時，切割前沿對激光的吸收率最高，所以切縫窄，切口垂直度高、粗糙度低，切割速度快，如圖4.22(a)所示。

②當切割方向與偏振方向垂直時，切割前沿對激光的反射率最高，吸收率最小，而橫向吸收率反而提高，所以切割速度下降，切口變寬，切割面粗糙度也增大，如圖4.22(b)所示。

③當切割方向與偏振方向成一斜角時，對激光吸收率最大的方向也與切割方向成一角度，結果切縫下部產(chǎn)生偏斜，如圖4.22(c)、(d)所示。

④為了防止因切割方向的改變引起切口形狀和切割面質量的變化，應采用圓偏振光進行切割。圓偏振光的電矢量幅值在各個方向上都是相等的，切割前沿對激光的吸收率不會因

切割方向的改變而變化，切口均勻整齊，如圖4.22(e)所示。激光束的偏振特性對激光切割質量的影響如圖4.23所示。

光束偏振位相(平行、偏角、垂直)對切口質量的影響如圖4.24所示。切割方向與光束偏振面相平行時，切縫窄、切邊平直;切割方向從偏振面移開，會導致能量吸收的遞減，切割速度越慢，切口越寬，切邊越粗糙，并與材料表面不垂直。一旦切割方向與偏振面完全垂直，切割不再傾斜，切割速度越慢，切口越寬，切割質量越差。

對形狀復雜的工件來說，很難始終保持偏振方向平行于切割方向，為此現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)配備了一種光學鏡片，以獲得等量耦合，消除不均一性，而不管切割方向如何。這種鏡片稱為圓偏振鏡。因此，為了將激光器輸出的線偏振光轉變?yōu)閳A偏振光，需在激光束出口處加裝圓偏振鏡。激光切割廠家

3、激光功率

激光切割時，要求激光器輸出的光束經(jīng)聚焦后的光斑直徑最小，功率密度最高。激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質。汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣助熔切割最小。激光功率對切割厚度、切割速度和切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。激光功率與板厚和切割速度的關系如圖4.25所示。激光功率對切口寬度的影響如圖4.26所示。

4、焦點位置(離焦量)

離焦量對切口寬度和切割深度影響較大。離焦量對切口寬度的影響如圖4.27所示。一般選擇焦點位于材料表面下方約1/3板厚處，切割深度最大，切口寬度最小。采用激光功率為2.3kW、切割不同厚度鋼板時，離焦量對切割質量的影響如圖4.28所示。

5、焦點深度

切割較厚鋼板時，應采用焦點深度大的光束，以獲得垂直度較好的切割面。但焦點深度大，光斑直徑也增大，功率密度隨之減小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，則需要增大激光的功率;切割薄板宜采用較小的焦點深度，這樣光斑直徑小，功率密度高，切割速度加快。金屬激光切割加工

6、切割速度

切割速度直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。不同的板厚，不同的切割氣體壓力，切割速度有一個最佳值，這個最佳值約為最大切割速度的80%。采用 2kW激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min，2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。切割速度與板厚的關系如圖4.29所示，圖中的上下曲線分別表示能夠切透材料的最大和最小切割速度。切割速度對切口寬度的影響如圖4.30所示。切割速度對切口表面粗糙度的影響如圖4.31所示。