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中小功率CO_2激光的厚板切割技术

  切透切割的能量平衡厚板切割时,仅靠中小功率激光器提供的能量不足以切透工件,因此采用有氧切割是必要的。氧助切割过程中所需要的能量大部分由铁氧燃烧反应提供切割所需要的能量R由加热工件的能量、使工件熔化的能量、热传导损失的能量和氧流带走的热量组成:1999年12月20日收稿温度,Tm2是氧化铁的熔点温度,T0是开始切割前温度,Hm是钢的熔化热焓,C是钢的比热容,G>是气体定压比热容,m是单位时间内由喷嘴喷出的气体质量与供气压力有关,mr是单位时间内与铁发生氧化反应的氧气质量,R是佩克莱特(准)数,它是切割速度Vc切口宽度bs和热扩散系数K的函数:单位时间内喷出的气体质量由下式决定:m=n(D/2)2VP(Ts/T)(3)其中:D为喷嘴出口直径,V是气体出口处流速,P为标准状态下的密度,Ts为标准状态下温度钢板时,经计算,切割所需能量为5892W而此时Fe燃烧变为FeO放出能量为这里Hf(0是FeO的反应热焓,XAhhr是铁的燃烧率。计算可知铁100%燃烧时能量是7536W也就是说78.2%铁燃烧就足以供给切割所需要的全部能量反应能够达到的速度,也就是切割过程中可能采用的最大切割速度,完全由这种自维持的燃烧过程决定由于切缝金属本身参加反应,提供切割所需要的能量,因此如果氧气能无限供应的话,能够切透的板厚在理论上是没有限制的,这就为中小功率激光切割厚板提供了充分的理论依据激光厚板切割过程中技术难点(1)准稳态燃烧过程维持比较困难实际切割过程中,能切透的板厚是有限的,这与切割前沿铁不能稳定燃烧密切相关燃烧过程要能持续进行,切缝顶部的温度必须达到燃点单独靠铁氧燃烧反应释放的能量,实际上不能确保燃烧过程持续进行。一方面,是由于切缝被喷嘴喷出的氧流连续冷却,降低了切割前沿的温度:另一方面,燃烧形成的氧化亚铁层覆盖在工件表面,阻碍氧的扩散,当氧的浓度降低到一定程度时,燃烧过程将会熄灭采用传统会聚性光束进行激光切割时,激光束作用于表面的区域很小,由于激光功率密度很高,所以不仅仅在激光辐射的区域,工件表面温度达到了燃点,而且由于热传导,一个更宽的区域达到了燃点温度而氧流作用于工件表面的直径要比激光束直径要大这表明不仅在激光辐射区域,要发生强烈地燃烧反应,而且在激光束照射的光斑外围也要同时发生燃烧厚板切割时,切割速度相当慢,工件表面铁氧燃烧的速度要比切割头行进的速度快燃烧持续一段时间后,由于氧的浓度下降,而导致燃烧过程熄灭。只有当切割头行进到该位置时,燃烧反应又重新开始切割前沿的燃烧过程是周期性地进行,这样就会导致切割前沿的温度波动,切口质量变差。

  (2)板厚方向氧纯度和压力难以维持恒定厚板切割时,氧纯度下降也是影响切口质量的重要因素。氧流的纯度对切割过程有强烈影响。当氧流纯度下降0.9%,铁氧燃烧率将下降10%;纯度下降5%时,燃烧率将下降37燃烧率下降将大大减少了燃烧过程输入到切缝中的能量,降低了切割速度,同时切割面液态层中铁的含量加,从而大到熔渣的粘性,导致熔渣排出困难,这样在切口下部就会出现严重的挂渣,使切口质量变得难以接受为了保持切割稳定进行,要求在板厚方向切割氧流的纯度及压力要基本保持恒定。传统激光切割工艺中,常常使用普通锥形喷嘴,这种喷嘴在薄板切割中能满足使用要求但在切割厚板时,随着供气压力大,喷嘴的流场中容易形成激波,激波对切割过程有许多危害,降低氧流的纯度,影响切口质量解决这个问题一般有二种办法:在切割氧流周围添加预热火焰层为主切割氧流,外层为缓冲氧流,缓冲氧流的存在加了中心气流的周围压力,因此不容易产生激波,提高了中心气流的纯度,从而提高了切割速度和质量但是,当供气压力过高时,也会产生激波,气流的紊流度较大,切割气压随喷嘴和工件的距离变化,也有较大变化因此,供气压力不宜过高合理设计喷嘴内壁,改善气流流场特征超音速喷嘴内壁直径先收缩后放大,就可以在出口处产生超音速气流其供气压力可以很大但不产生激波。超音速气流速度很大可以把切缝中的熔化金属快速吹走,提高了切割速度利用超音速喷嘴进行激光切割时,切割质量也很理想,由于超音速喷嘴在工件表面的切割压力比较稳定,因此特别适用于厚板切害。

  激光厚板切割新工艺低功率激光厚板切割目前在国外的新进展主要有:预热法、散焦法激光锯切法、双聚焦法等这种方法与传统激光切割方法不同之处是在切割前沿旁添加了一道预热火焰预热火焰在工件表面形成的超过燃点温度的区域,要比氧流作用区域大,它可作用在切割前沿,也可作用于喷出的气流周围,可以由氧炔焰产生,也可对激光束,分束作预热使用。预热焰的引入可以维持准稳态的燃烧过程,同时又可对切割氧流起预热作用,有利于维持氧的压力和纯度采用氧炔焰作预热火焰,曾进行了30nm厚结构钢st52- 3切割这个方法特点是激光焦点并不是位于工件表面,而是位于喷嘴内部,这样光束到达工件表面时,不是会聚光束,而是发散的。合理调节离焦量,可以保证作用在工件表面上的光束直径比氧流直径大,以确保反应的稳定进行采用这个装置切割50mm厚的结构钢时,激光束作用于工件表面的功率仅为1kW,供气压力为8<10Pa左右,工件与喷嘴距离为4mm,所获得切口质量也比较理想,表面粗糙度Ra=炽m采用散焦法,设备比较简单,切割过程很稳定。缺点是切割速度较低,切割50mm厚板时,最佳切割速度只能达到160mm/min(3)激光锯切法这种方法是利用反射会聚系统进行切割,激光锯切的加工头如所示。13为反射平面,2为自适应反射镜,4为曲面聚焦镜,工作时,随着自适应反射镜镜面的周期性变化,聚焦长度跟随变化,使得焦点位置在几个毫米内振动,这种振动切割导致了较高的切割质量在激光锯切中,随着自适应反射镜控制的加,切割表面的粗糙度随之减小当频率50Hz时,激光锯切的表面粗糙度低于一般激光切割。

  这种方法的缺点是切割厚度有限,一般不超过30mm双聚焦法是采用特殊的透镜使光束在不同部位两次聚焦,切割装置如所示图中Di为透镜中心部分的直径,D2为透镜边缘部分的直径透镜中心的曲率半径比周围大,形成了双焦点实际切割时,一般根据板厚来选择透镜切割过程中,上焦点位于工件上表面,下焦点位于工件下表面附近采用双聚法进行切割时,由于上焦点的能量密度都集中在上表面,因此使起割容易。下焦点在切缝下边缘提供了高的能量密度,提高了局部温度,有利于挂渣的吹除,提高了切割厚度,切割质量也比较妊整个切割过程对焦点漂移不敏感,这一点在飞行光路中尤为重要缺点是透镜的加工很复杂,而且当工件的厚度变化时,要时常更换透镜。

  随着厚板结构件的需求量越来越大,改善传统的激光切割工艺,开发厚板切割的新技术对开拓激光加工市场,扩大中小功率激光器的应用范围有重要的现实意义。

                                       (文章来源:互联网)

文章分类: 工具知识
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