激光切割质量的影响因素分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-1-39列出了影响激光切割质量的主要材料特性。激光模式及光束质量对切割质量的影响激光模式决定了聚焦焦点的能量分布，对切割质量影响非常大。而多模激光的能量分布是不对称的，所以不同方向的切口宽度可能不均一，质量也可能不同。

影响激光切割的因素很多，主要包括三个方面：材料特性、激光光束特性以及工艺参数等。这些因素共同作用形成切口，主要以最大切割速度、热影响区大小、切口宽度和表面粗糙度的外在指标来评价切割加工质量。

1.材料对切割质量的影响

切割材料本身的特性对切割质量起着至关重要的作用，因为它们直接影响材料对光束能量的吸收率，最终决定着激光加工的能量利用率。图4-1-39列出了影响激光切割质量的主要材料特性。

图4-1-39 材料对切割质量的影响

2.激光光束特性对切割质量的影响

（1）激光光束能量对切割速度与切割质量的影响激光光束的能量特性对激光切割的影响主要为在其他参数一定的情况下，切割速度随最大切割板厚的增加而减小，随激光功率的增加而增加。

（2）激光模式及光束质量对切割质量的影响激光模式决定了聚焦焦点的能量分布，对切割质量影响非常大。一般来讲，激光切割应选用单模或准单模激光，多模激光只能用于热处理或焊接应用。由于单模激光不仅可以聚焦到很小的焦点，使切口很窄，而且单模激光能量分布为中心对称，所以切割不同方向的割缝质量相同。而多模激光的能量分布是不对称的，所以不同方向的切口宽度可能不均一，质量也可能不同。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束参数积BPP和衍射极限因子M²或光束传输因子K来表示。对小功率激光器，工作物质均匀稳定，一般可以实现基模输出，其光束横截面能量分布为高斯分布，且在传输过程中保持不变，光束质量较好。而对大功率激光器，一般不易获得基模输出，输出往往为多模激光束，激光光束质量变差。

3.工艺参数对切割质量的影响

影响激光切割质量的主要工艺参数有喷嘴结构、气流压力、辅助气体、切割速度、焦点位置、焦点大小、景深、穿孔和程序设计等。

（1）辅助气体及气流压力由于金属表面的激光反射率高达95%，使激光能量不能有效地射入金属表面，通过喷吹辅助气体可提高材料对激光的吸收率。辅助气体通常采用氧气、氮气、惰性气体或压缩空气等。采用氧气能够促使金属表面氧化，提高切割的效率；通过增加吹氧压力还可使切口减小，并防止熔化材料再粘结。切割易燃材料时，可采用惰性气体，能有效防止材料燃烧。切割带有金属夹层的易燃材料时，宜采用压缩空气。在一定压力范围内，增加辅助气体的压力，可增大切割厚度，提高切割效率。

在激光切割中采用氧气作为辅助气体时，氧化反应供给切割过程的热量约占激光切割所需能量的60%以上，其反应方程式为

2Fe+O₂=2FeO+514J/mol （4-1-17）

若喷嘴为圆形时，流过的气流量为L=Kd²P_n，其中，K为比例常数，d为喷嘴出口直径，P_n为喷嘴内腔的滞止压力。

当激光功率和切割速度一定时，氧气压力大，氧气流量大，则氧化反应速度加快，氧化发热量大，使切口变宽，切口条纹深而粗，切割断面粗糙；当氧气压力减小时，氧气流量降低，则氧化速度减小，切口变窄，切口断面的表面粗糙度会得到改善。当氧气压力降低到某一数值时，切口材料将不完全氧化，切口下表面粘附有较多熔融物，被切割材料甚至不能被切透。

（2）喷嘴结构通过喷嘴的设计，可以控制气体压力、工件在气流中的位置，从而影响切口的质量。喷嘴设计的总体要求就是使作用在工件表面的气流压力（切割压力）最大。

（3）切割速度当激光功率和辅助气体压力一定时，切割速度与切口宽度保持一种非线性反比关系。当切割速度升高时，则切口宽度减小；若切割速度降低时，切口宽度将会增大。切割速度与切口表面粗糙度呈现一种抛物线关系，随着切割速度低的降低，表面粗糙度迅速增加；随着切割速度的增加，表面粗糙度得到改善，当切割速度超过某一最佳值后随切割速度增大，表面粗糙度改善较为缓慢；当激光切割速度进一步增加到某数值后，将切不透材料。

（4）焦点位置聚焦光束的发散角一般都很大，光板尺寸在焦点位置变化比较大，这样不同的焦点位置将使作用在材料表面的激光功率密度变化很大，从而对切口的影响就很大。

激光切割质量的影响因素分析

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