高功率激光器切割工艺应用解析

目前，随着激光技术的不断发展，连续激光器功率的不断提升，激光加工市场正在不断成熟扩大，激光技术越来越多地出现在“寻常百姓家”，如今越来越多的企业开始使用高功率连续激光器进行生产。以往4kW、6kW便可以定义为高功率激光器，现在，激光器的功率已经可以达到了12kW、15kW甚至更高，实现大幅度的技术突破，为板材加工市场带来又一次的技术突破。

 

使用高功率激光器切割钣金，不仅拥有可以媲美传统加工行业的切割厚度，在使用氧气切割碳钢时，亮面厚度得提升的同时，速度更快、锥度更小。切割不锈钢中薄板时，使用高功率激光加工气压更小，速度也有大幅提高。与传统加工相比，激光由于其高效率、清洁性、灵活性，得到越来越多的青睐。

 

高功率激光器切割性能

 

碳钢作为生活中一种常见的材料，凭借自身强度高、耐磨性好、工艺性能优良等特性，广泛应用于轨道交通、建筑、桥梁、工程机械、电气制造、车辆等行业。在金属加工中，激光切割碳钢更是占据着十分重要的地位；通常在进行铁板、低碳钢等板材加工时，因其含碳量较低，燃点低于熔点，常用氧气进行切割，在低功率激光器切割中，常用氧气作为辅助气体进行助燃，切割激光器功率本身不足以切割的厚度；在高功率激光器切割中，氧气作为辅助气体，通过使用不同功率配合不同厚度板材切割，以获取光滑平整的切割断面；在高功率激光切割中，亮面切割技术是一种能将碳钢板材切割断面切至光亮的工艺，提高了切割效率，减小了工件锥度；但目前来说，板材过薄或过厚都无法实现切割亮面。由下图可见，使用高功率激光切割16mm-30mm厚度的板材效果良好。

 

15kW碳钢高速亮面切割

 

 

16-18mm 碳钢                                                                 25mm 碳钢                                                                                     30mm 碳钢

 

同样使用15kW激光器进行钣金切割，能够有效改善工件锥度。下图为：

 

 

传统降功率大喷嘴切割工艺双边锥度 0.4mm~1mm    万瓦满功率小喷嘴切割双边锥度≤ 0.2mm

 

目前市面上，切割各类板材超厚厚度，一般依赖于等离子切割、线切割、水刀切割等传统切割方法；而高功率激光器的问世，逐步实现了各类超厚板材的切割可能性，切割厚度从以往的25mm瓶颈，逐渐突破到40mm、60mm、80mm甚至更多；但就目前来说，在切割大于60mm厚度的材料上，穿孔和稳定切割，以及锥度大小的控制，是需要进一步攻克的问题。

 

15kW激光厚板切割技术应用实例

 

 

50mm 碳钢                                                50mm 不锈钢

 

 

60mm 碳钢                                     60mm 不锈钢

 

 

80mm 碳钢                                               80mm 不锈钢

 

在使用较低激光功率进行氧气碳钢切割时，以往通常建议客户不要切割小于板材厚度的圆孔，通常建议等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，难以满足更高精度更多样化的需求；在高功率激光切割中，随着切割、穿孔效率的提升，辅以合适的喷嘴，可以进行厚板小孔的加工，为多样化需求提供支持。并且，经过大量实践操作后，我们可以得出在使用高功率激光切割的前提下，无论使用氮气还是氧气切割，无论是碳钢还是不锈钢，效率都得到了大幅提升。

 

15kW碳钢小孔切割应用实例

 

 

16mm 低碳钢切割小孔                              25mm 低碳钢切割小孔

 

 

 

15kW vs. 12kW 氧气切割碳钢效率提升

 

 

15kW vs. 12kW 氮气不锈钢中薄板效率提升

 

 

15kW vs. 12kW 氮气切割碳钢中薄板效率提升

 

 

 

高功率激光器切割不良分析及建议

 

通常，影响切割质量的重要工艺参量有切割速度、激光功率、辅助气体、焦点位置、喷嘴特性及材料材质性能等。可见影响激光切割加工因素很多，如果控制不当或参量把握不准，其切割精度和切割质量将会受到很大的影响。

 

常见问题：

 

 

（1）氧气碳钢高功率小喷嘴高速亮面切割时，板材上层条纹及下层拖曳线均过于粗糙

 

可能原因：

 

【1】喷嘴选型错误：喷嘴选型过大；

 

【2】气压进给错误：切割气压过大引起过烧；

 

【3】切割速度不匹配：切割速度过慢引起过烧或过快导致切割不充分。

 

解决方案：

 

【1】更换喷嘴：更换小口径合适喷嘴，举例16mm碳钢亮面切割使用1.4D喷嘴，20mm碳钢亮面切割使用1.6D喷嘴等；

 

【2】减小切割气压：减少气压改善切割断面质量，一般亮面切割气压需求在0.6~0.8Bar之间；

 

【3】匹配切割速度：将切割速度调整至当前功率合适的范围。

 

（2）板材上层条纹略显粗糙，有轻微或较深牙口，下层拖曳线较好

 

 

可能原因：

 

【1】喷嘴选型错误：喷嘴选型过大；

 

【2】离焦量不匹配：考虑继续增加正向离焦；

 

【3】切割速度不匹配：切割速度较慢。

 

解决方案：

 

【1】更换喷嘴：若要达到断面上下全亮，考虑更换小一号口径喷嘴，例如1.6D更换为1.4D；

 

【2】增加正向离焦：喷嘴口径不变的情况下，继续增加正向离焦；

 

【3】匹配切割速度：将切割速度调整至当前功率合适的范围。

 

（3）板材断面上层条纹良好，但底部挂渣且影响断面效果

 

 

可能原因：

 

【1】离焦量不匹配：正向离焦过大，导致能量不集中形成滞后拖尾；

 

【2】气压进给错误：气压过小导致切割拖尾形成拖曳线滞后产生挂渣；

 

【3】切割速度不匹配：切割速度过快导致滞后。

 

解决方案：

 

【1】减小正向离焦：适当减小正向离焦，其余参数不变，观察底部挂渣情况；

 

【2】增加气压：适当增加进给气压，可尝试最多增加至1Bar左右，观察情况；

 

【3】匹配切割速度：将切割速度调整至当前功率合适的范围。

 

进行氮气不锈钢切割时，部分常见问题：光纤激光切割机 www.6618cnc.com

 

（1）不锈钢中薄板切割时遇到分层现象，切割断面粗糙。

 

 

可能原因：

 

【1】离焦量不匹配：负向离焦量过大,导致产生等离子体，产生蓝光并分层；

 

【2】喷嘴选型错误：喷嘴口径过小；

 

【3】气压进给错误：气压进给过大。

 

解决方案：

 

【1】减小负向离焦：减小负向离焦，其余参数不变，观察现象；

 

【2】更换大口径喷嘴：更换大一号口径的喷嘴；

 

【3】减小气压：适当减小气压进给。

 

（2）不锈钢中厚板切割时遇到未充分切割情况，切割断面未到达板材底部；

 

 

可能原因：

 

【1】喷嘴选型错误：喷嘴选择过小；

 

【2】离焦量不匹配：考虑继续增加负向离焦；

 

【3】气压不够：气体压力不够，导致未充分切割。

 

 

解决方案：

 

【1】更换喷嘴：更换更大口径喷嘴，增加气体流量；

 

【2】增加负向离焦：继续增加负向离焦，使切割断面到达底部；

 

【3】增加气压：继续增加气压。

 

（3）不锈钢厚板切割遇到分层现象，调整气压大小和正负离焦量效果均不明显

 

可能原因：

 

【1】能量过于集中：在速度无法得到提升的情况下，激光器能量过于集中，与材料间反应过于剧烈；

 

【2】喷嘴选型错误：喷嘴选型口径过小，导致流量过小。

 

解决方案：

 

【1】调整频率占空比：保证峰值功率不变的情况下，适当降低频率和占空比，举例50mm不锈钢切割时，速度无法增加的情况下，考虑将频率调整至200HZ左右，占空比在55~65%之前，可得到较好切割效果；

 

【2】更换喷嘴：更换更大口径喷嘴，提高气体流量。

 

总结

 

相较于一般的中小功率激光器而言，高功率激光切割因其功率高，可以切割的厚度的板材和处理的工件更多，应用范围更加广泛，所以可以广泛应用在钢铁、冶金、工业制造、船舶、航空航天、铁路等大型工程建设中。随着激光技术的不断发展，光束质量的提高，相信未来激光切割能在更大的厚度上一展拳脚。

审核编辑 黄宇