激光切割机使用日益广泛,怎样优质高效运用激光技术制造物品,要求操作者必须钻研相关学问,并且必须在操作中持续积累心得体会。
下面先搞懂常用的几个激光切割技术参数。
1.专用的装置
降低前方光束直径波动造成焦点影像大小波动,国内外激光切割设备生产商提供若干定制配件供客户选择:
平行光管是一种普遍应用的技术,通过在CO2激光器的出射端安装这个装置,能够实现光束的扩展,扩展后的光束半径会显著增加,而其发散程度则会明显降低,这样就能确保在切割作业的近处和远处范围内,光线聚焦前的尺寸能够保持基本相同。
切割头增设一个独立的移动透镜组件,该组件的移动轴与调整喷嘴到工件距离的Z轴为分离设置。机床工作台位移或光轴位移时,光束从近端向远端F轴方向同步位移,确保光束汇聚后的光点尺寸在全部加工范围内维持恒定。
调节聚焦镜的液压力,通常采用金属反射聚焦装置,当聚焦前光束的宽度收缩导致焦点光点面积增大,系统会自动调整液压力,改变聚焦面的弯曲程度,使焦点光点面积减小。
在飞行切割设备上增设了x轴和y轴的调整光路装置,这个装置的作用是,当切割目标距离较远导致光程变长时,它会自动缩短补偿光路的长度,而当切割目标距离较近使得光程缩短时,它会相应地延长补偿光路,目的是确保光程总长度保持稳定。
2.切割穿孔技术
各种热切割工艺,除了极少数情形能从板材边沿着手,大多需要在板材上预先钻一个小洞。过去在激光冲压复合设备上,是先借助冲头打出一个孔洞,随后再让激光从小洞位置启动切割。对于不具备冲压功能的激光切割设备,存在两种主要的打孔技术
激光照射材料中心,产生凹陷,同轴氧流随即移除熔融物,形成孔洞。孔洞尺寸通常受板材厚度影响,平均直径约为板厚的二分之一。针对较厚的板材,爆破穿孔会形成较大且不规则孔径,因此不适用于精密零件,例如石油筛缝管,仅限于处理废料。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。
脉冲打孔:运用峰值功率高的脉冲激光,使少量物质熔解或变成蒸汽,通常借助空气或氮气充当辅助介质,用以降低因热量引发氧化导致孔洞变大,气体的压力比实施切割时的氧气压力要低
每一束脉冲激光仅能引发微细颗粒的喷射,逐步向内渗透,所以要在厚板上打穿一个孔洞得耗费数秒光阴。当孔洞形成之际,须立刻切换辅助气体为氧气,随即启动切割程序。
这种打孔的孔眼尺寸比较小,它的打孔效果比爆破开孔要好得多。为了达到这个目的,所用的激光设备不仅需要具备足够高的能量输出,更关键的是光束在时间上和空间上的表现,所以通常的横流CO2激光设备难以满足激光切割的实际需要。
此外脉冲穿孔还要求配备性能稳定的气流调控装置,用于调整气体类型、气体力度以及穿孔时长。在实施脉冲穿孔时,为了得到理想的切割效果,必须关注工件从静止状态下的脉冲穿孔到等速持续切割的转换技术。
理论上讲,加速段的切割参数例如焦距、喷嘴方位、气体压强等,往往可以调整,然而现实中,因为时间极其短暂,这些参数的变动机会微乎其微。
3.喷嘴设计及气流控制技术
激光加工钢材时,氧气与集中的激光光束由喷头导向工件表面,由此构成一道气流通道。对气流的核心标准是,注入切口的气体量需丰富,流速须迅猛,这样才能实现充分的氧化,促使被切割材料产生有效的热量释放;同时,必须具备足够的推力,将熔化的物质强力驱离切割区域。
所以切割效果不仅与光线品质及其调控相关,喷头构造和气流管理也同等关键,比如喷头力度、物件在气流中的定点等细节都密切相关。
激光切割的喷嘴构造比较简洁,主要包括一个锥形开口和顶端的小圆孔。它的设计过程往往依赖于实际测试和修正误差。
喷嘴通常选用紫铜打造,体积极其轻微,属于容易损耗的部件,必须频繁调换,所以没有必要开展流体力学方面的测算和研讨。
操作时让气体从喷嘴旁边导入,具有一定压力Pn(表压为Pg),这叫喷嘴压力,气体从喷嘴端部喷出,飞一段距离后碰到物件表面,此时的压力叫切割压力Pc,最终气体扩展开来变成大气压力Pa。实验结果显示,当Pn变大时,气流速度会加快,Pc也会跟着变大。
可用下列公式计算:V=8.2d2(Pg+1)
V-气体流速L/min
d-喷嘴直径mm
Pg-喷嘴压力(表压)bar
各种气体的压力临界值各不相同,一旦喷嘴内的压力超越该数值,气体流动就会形成标准的斜向冲击波,气体流速会从低于音速转变为超过音速。这个临界值取决于两个关键参数:Pn与Pa的比率以及气体分子活动的自由度数量。例如氧气和空气的自由度是五,据此计算得出其临界压力为每平方厘米一百八十九千克力。当喷嘴压力增大到Pn/Pa等于1加1除以n乘以1加n除以2时,Pn为4bar,气流从斜激波转变为正激波,切割压力Pc随之降低,气流速度也随之减缓,在工件表面产生涡流,这削弱了气流清除熔融材料的效能,进而影响了切割的速率。
所以选用了带锥形孔且末端有小圆孔的喷头,这种喷头喷射氧气的压力多数时候不会超过三巴。
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