燒失穩(wěn)定激光氧氣切割厚鋼板

楊衛(wèi)紅

摘要：激光氧氣切割厚度大于20mm的鋼板時(shí)，造成的切割局部質(zhì)量差的問(wèn)題，本文介紹激光氧氣切割和自體火焰切割技術(shù)的結(jié)合的燒失穩(wěn)定激光氧氣切割。切割速度達(dá)0.55?1.6m/mins；切割厚度超過(guò)20mm；切縫寬1mm；切割邊緣粗糙度低于50um。

關(guān)鍵詞：環(huán)形二極管激光束；激光切割；激光氧氣切割；燒失穩(wěn)定激光束氧氣切割

引言：

激光束氧氣切割不同于氣切，主要區(qū)別于熱源和氧氣射流的相對(duì)布置。在氣切期間，切縫的上邊被熱源加熱，熱源被氣體射流包圍著，氧氣輔助激光切割過(guò)程使用了穿過(guò)切割噴嘴的同軸的聚焦激光束。在工件表面上的激光束的直徑遠(yuǎn)小于氧氣射流的直徑。此配置允許鐵的燃燒反應(yīng)的點(diǎn)火在氧氣射流的內(nèi)部而不是在激光束的外部，因?yàn)橥ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)激光束周?chē)牟牧蠒?huì)被加熱到點(diǎn)火溫度。因此，低的切割速度（<1m/min）會(huì)使燃燒的前段趨向于接近被激光束照射的面積。但是，由于熱傳導(dǎo)和鈍化的形成，會(huì)使燃燒過(guò)程接觸不到激光束，從而使燃燒超時(shí)，所以這個(gè)預(yù)燒是不穩(wěn)定的。如果憑借外部輸入的方法使激光束接觸到了切割前端，反應(yīng)就再次啟動(dòng)。結(jié)果是，粗糙的切割過(guò)程的周期性中斷使切割邊緣出現(xiàn)了拖帶的痕跡，并且平均反應(yīng)能力降低[1]。這種功率泄露限制了激光束氧氣切割的最大加工鋼板厚度。

激光氧氣切割一般用來(lái)加工厚至20mm的鋼板。與較便宜的自體火焰切割技術(shù)相比，切割厚鋼板時(shí)的速度更快，但也存在部分不好的品質(zhì)。采用的燒蝕穩(wěn)定激光束切割過(guò)程中除了從切割噴嘴射出的聚焦激光光束之外，還運(yùn)用了另一個(gè)熱源，例如，環(huán)形的二極管激光束圍住了切割噴嘴來(lái)給切縫的頂端加熱。這樣做，所描述的損失機(jī)制（上面）可以得到補(bǔ)償，從而使鐵可以穩(wěn)定燃燒。燒失穩(wěn)定激光束氧氣切割能夠使在處理厚度超過(guò)20mm的鋼板時(shí)，只留下低于50um的切割邊緣粗糙度?？梢约庸さ匿摪宓暮穸壤碚撋鲜菬o(wú)限的[2-3]。本文通過(guò)激光氧氣切割和自體火焰切割技術(shù)的結(jié)合，切割厚度超過(guò)20mm的鋼板時(shí)，得到了較好的切割品質(zhì)和比氣切更快的切割速度。這種結(jié)合或混合技術(shù)被稱(chēng)為燒失穩(wěn)定激光氧氣切割[2-3]。

1、二極管激光氧氣切割系統(tǒng)

環(huán)形二極管激光束裝置包括10個(gè)可調(diào)激光器模塊，可以形成一個(gè)中央通道。對(duì)于氧氣切割應(yīng)用，模塊的光束斑點(diǎn)是通過(guò)環(huán)形的預(yù)熱激光器調(diào)節(jié)成了直徑為5mm，寬度為1mm的光斑，并且在工件表面形成的最大功率為2KW。氧氣通過(guò)通道的開(kāi)口被注入到環(huán)形光束的中心，Laval噴嘴位于開(kāi)口的末端。對(duì)于燒失穩(wěn)定的激光束氧氣切割的應(yīng)用，該器件的中央有一個(gè)焦距為15英寸的硒化鋅彎月透鏡。這樣，額外的CO2激光光束可以直接通過(guò)通道開(kāi)口和切割噴嘴。為了防止裝置被濺射和被煙塵覆蓋，就使用了一個(gè)帶有環(huán)形窗口的外殼。此外，交叉噴氣的噴嘴產(chǎn)生了圓周形的、沿徑向向外的定向空氣噴射流。

在所噴射氣體的參數(shù)中，氧氣的純度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。氧氣中的雜質(zhì)將導(dǎo)致激光器最大切割速度和切割質(zhì)量的降低。因此所用氧氣的純度越高越好，同時(shí)為避免高純度的氧氣受到周?chē)諝獾奈廴?，噴嘴的噴射距離越短越好。實(shí)踐證明，合適的氧氣純度為99.95%。距離越小則噴嘴對(duì)環(huán)形激光光束的自由傳播阻礙就越大，同時(shí)噴嘴受損的危險(xiǎn)性增大。

2、工作流程

環(huán)形半導(dǎo)體激光光束加熱被切割金屬的表面使其達(dá)到熔點(diǎn)但是對(duì)切縫卻沒(méi)有注入功率。因此更高功率的半導(dǎo)體激光器對(duì)激光切割所需功率沒(méi)有貢獻(xiàn)，即激光功率從1800W降低到700W的過(guò)程中最大切割速度沒(méi)有變化。如果切割功率降低到使被切割物質(zhì)表面的溫度低于熔點(diǎn)則切割將無(wú)法進(jìn)行。半導(dǎo)體激光器的輸出功率達(dá)到700W就可以用來(lái)進(jìn)行切割。用更高的功率來(lái)維持被切割材料表面保持熔點(diǎn)溫度是沒(méi)有必要的，這只會(huì)是材料過(guò)度融化而影響切割質(zhì)量。此外，切割過(guò)程中限制最大切割速度的因素是燃燒反應(yīng)的速度而不是二極管激光器的功率。用700W半導(dǎo)體激光器，以0.45m/min的切割速度，加氣切割10mm厚的低碳鋼。

對(duì)于穩(wěn)定激光有氧切割，環(huán)形半導(dǎo)體激光器激光光學(xué)系統(tǒng)的中心尺寸的確定按照這樣的方法：當(dāng)光斑位于噴嘴的最小孔徑內(nèi)時(shí)，聚焦光束應(yīng)小到足以安全的通過(guò)拉伐爾噴嘴。此外，瑞利長(zhǎng)度必須足夠大，確?？山邮艿墓馐梢酝ㄟ^(guò)切縫?，F(xiàn)有的M2因子為3.8 、F數(shù)為15的二氧化碳激光器可用腐蝕性Vadura 1215A 60-100噴嘴進(jìn)行激光切割。焦斑直徑達(dá)到0.8毫米，雷利長(zhǎng)度達(dá)到12毫米。

2.1結(jié)果展望

功率為700W環(huán)形二極管激光束工件被應(yīng)用在切割系統(tǒng)上。板厚在10-30毫米，用KF4 60-100噴嘴進(jìn)行自熔切割時(shí)允許的切割速度是0.35-0.75m/min。相應(yīng)的切縫寬度為3mm是在板材厚度的一半處測(cè)得的。與FK460-100相比，孔徑更大的Vadura 1215A 60-100噴嘴在有氧自熔切割30mm厚的低碳鋼板是允許最大切割速度提高25%。但是，伴隨的切縫卻變寬為4.5mm，切縫邊緣也很粗糙。環(huán)形激光光束強(qiáng)度分布的均勻性足夠應(yīng)用于對(duì)稱(chēng)直線切割和自身輪廓切割?？扇鄞┌宀牡募す馐跚懈?0 -，20 -，和30-mm厚板才。

3、結(jié)論

本文通過(guò)一個(gè)環(huán)形的二極管激光光束設(shè)備對(duì)10-20-30mm厚度的鋼板進(jìn)行燒失穩(wěn)定激光氧氣切割得出如下結(jié)論：

（1）環(huán)形的二極管激光束圍住了切割噴嘴來(lái)給切縫的頂端加熱，使鐵可以穩(wěn)定燃燒；

（2）環(huán)形激光光束強(qiáng)度分布的均勻性足夠應(yīng)用于對(duì)稱(chēng)直線切割和自身輪廓切割，可熔穿板材的激光束可切割10 -mm 、20 -mm和30-mm厚板材。

參考文獻(xiàn)

[1]Knitsch A， Seme B， Hoffmann D， Petring D， Loosen P， Ifflander R， Poprawe R（2003） Diode Laser Systems for Cutting Applications of Thin Materials. ICALEO2003. Jacksonville， FL， USA.

[2]Petring D（2005） Computer simulation of laser cutting for the limiting-value-oriented development of robust processes. Welding and Cutting 4（1）， 37–42.

[3]Petring D （2001） Basic description of laser cutting. In JF Ready and DF Farson （eds.）： LIA Handbook of Laser Materials Processing. Laser Institute of America and Magnolia Publishing， Orlando.