高功率激光器切割工藝應用解析

目前，隨著激光技術的不斷發(fā)展，連續(xù)激光器功率的不斷提升，激光加工市場正在不斷成熟擴大，激光技術越來越多地出現(xiàn)在“尋常百姓家”，如今越來越多的企業(yè)開始使用高功率連續(xù)激光器進行生產。以往4kW、6kW便可以定義為高功率激光器，現(xiàn)在，激光器的功率已經可以達到了12kW、15kW甚至更高，實現(xiàn)大幅度的技術突破，為板材加工市場帶來又一次的技術突破。

使用高功率激光器切割鈑金，不僅擁有可以媲美傳統(tǒng)加工行業(yè)的切割厚度，在使用氧氣切割碳鋼時，亮面厚度得提升的同時，速度更快、錐度更小。切割不銹鋼中薄板時，使用高功率激光加工氣壓更小，速度也有大幅提高。與傳統(tǒng)加工相比，激光由于其高效率、清潔性、靈活性，得到越來越多的青睞。

高功率激光器切割性能

碳鋼作為生活中一種常見的材料，憑借自身強度高、耐磨性好、工藝性能優(yōu)良等特性，廣泛應用于軌道交通、建筑、橋梁、工程機械、電氣制造、車輛等行業(yè)。在金屬加工中，激光切割碳鋼更是占據(jù)著十分重要的地位；通常在進行鐵板、低碳鋼等板材加工時，因其含碳量較低，燃點低于熔點，常用氧氣進行切割，在低功率激光器切割中，常用氧氣作為輔助氣體進行助燃，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，氧氣作為輔助氣體，通過使用不同功率配合不同厚度板材切割，以獲取光滑平整的切割斷面；在高功率激光切割中，亮面切割技術是一種能將碳鋼板材切割斷面切至光亮的工藝，提高了切割效率，減小了工件錐度；但目前來說，板材過薄或過厚都無法實現(xiàn)切割亮面。由下圖可見，使用高功率激光切割16mm-30mm厚度的板材效果良好。

15kW碳鋼高速亮面切割

16-18mm 碳鋼 25mm 碳鋼 30mm 碳鋼

同樣使用15kW激光器進行鈑金切割，能夠有效改善工件錐度。下圖為：

傳統(tǒng)降功率大噴嘴切割工藝雙邊錐度 0.4mm~1mm 萬瓦滿功率小噴嘴切割雙邊錐度≤ 0.2mm

目前市面上，切割各類板材超厚厚度，一般依賴于等離子切割、線切割、水刀切割等傳統(tǒng)切割方法；而高功率激光器的問世，逐步實現(xiàn)了各類超厚板材的切割可能性，切割厚度從以往的25mm瓶頸，逐漸突破到40mm、60mm、80mm甚至更多；但就目前來說，在切割大于60mm厚度的材料上，穿孔和穩(wěn)定切割，以及錐度大小的控制，是需要進一步攻克的問題。

15kW激光厚板切割技術應用實例

50mm 碳鋼 50mm 不銹鋼

60mm 碳鋼 60mm 不銹鋼

80mm 碳鋼 80mm 不銹鋼

在使用較低激光功率進行氧氣碳鋼切割時，以往通常建議客戶不要切割小于板材厚度的圓孔，通常建議等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，難以滿足更高精度更多樣化的需求；在高功率激光切割中，隨著切割、穿孔效率的提升，輔以合適的噴嘴，可以進行厚板小孔的加工，為多樣化需求提供支持。并且，經過大量實踐操作后，我們可以得出在使用高功率激光切割的前提下，無論使用氮氣還是氧氣切割，無論是碳鋼還是不銹鋼，效率都得到了大幅提升。

15kW碳鋼小孔切割應用實例

16mm 低碳鋼切割小孔 25mm 低碳鋼切割小孔

15kW vs. 12kW 氧氣切割碳鋼效率提升

15kW vs. 12kW 氮氣不銹鋼中薄板效率提升

15kW vs. 12kW 氮氣切割碳鋼中薄板效率提升

高功率激光器切割不良分析及建議

通常，影響切割質量的重要工藝參量有切割速度、激光功率、輔助氣體、焦點位置、噴嘴特性及材料材質性能等?？梢娪绊懠す馇懈罴庸ひ蛩睾芏啵绻刂撇划敾騾⒘堪盐詹粶?，其切割精度和切割質量將會受到很大的影響。

常見問題：

（1）氧氣碳鋼高功率小噴嘴高速亮面切割時，板材上層條紋及下層拖曳線均過于粗糙

可能原因：

【1】噴嘴選型錯誤：噴嘴選型過大；

【2】氣壓進給錯誤：切割氣壓過大引起過燒；

【3】切割速度不匹配：切割速度過慢引起過燒或過快導致切割不充分。

解決方案：

【1】更換噴嘴：更換小口徑合適噴嘴，舉例16mm碳鋼亮面切割使用1.4D噴嘴，20mm碳鋼亮面切割使用1.6D噴嘴等；

【2】減小切割氣壓：減少氣壓改善切割斷面質量，一般亮面切割氣壓需求在0.6~0.8Bar之間；

【3】匹配切割速度：將切割速度調整至當前功率合適的范圍。

（2）板材上層條紋略顯粗糙，有輕微或較深牙口，下層拖曳線較好

可能原因：

【1】噴嘴選型錯誤：噴嘴選型過大；

【2】離焦量不匹配：考慮繼續(xù)增加正向離焦；

【3】切割速度不匹配：切割速度較慢。

解決方案：

【1】更換噴嘴：若要達到斷面上下全亮，考慮更換小一號口徑噴嘴，例如1.6D更換為1.4D；

【2】增加正向離焦：噴嘴口徑不變的情況下，繼續(xù)增加正向離焦；

【3】匹配切割速度：將切割速度調整至當前功率合適的范圍。

（3）板材斷面上層條紋良好，但底部掛渣且影響斷面效果

可能原因：

【1】離焦量不匹配：正向離焦過大，導致能量不集中形成滯后拖尾；

【2】氣壓進給錯誤：氣壓過小導致切割拖尾形成拖曳線滯后產生掛渣；

【3】切割速度不匹配：切割速度過快導致滯后。

解決方案：

【1】減小正向離焦：適當減小正向離焦，其余參數(shù)不變，觀察底部掛渣情況；

【2】增加氣壓：適當增加進給氣壓，可嘗試最多增加至1Bar左右，觀察情況；

【3】匹配切割速度：將切割速度調整至當前功率合適的范圍。

進行氮氣不銹鋼切割時，部分常見問題：光纖激光切割機 www.6618cnc.com

（1）不銹鋼中薄板切割時遇到分層現(xiàn)象，切割斷面粗糙。

可能原因：

【1】離焦量不匹配：負向離焦量過大,導致產生等離子體，產生藍光并分層；

【2】噴嘴選型錯誤：噴嘴口徑過小；

【3】氣壓進給錯誤：氣壓進給過大。

解決方案：

【1】減小負向離焦：減小負向離焦，其余參數(shù)不變，觀察現(xiàn)象；

【2】更換大口徑噴嘴：更換大一號口徑的噴嘴；

【3】減小氣壓：適當減小氣壓進給。

（2）不銹鋼中厚板切割時遇到未充分切割情況，切割斷面未到達板材底部；

可能原因：

【1】噴嘴選型錯誤：噴嘴選擇過??；

【2】離焦量不匹配：考慮繼續(xù)增加負向離焦；

【3】氣壓不夠：氣體壓力不夠，導致未充分切割。

解決方案：

【1】更換噴嘴：更換更大口徑噴嘴，增加氣體流量；

【2】增加負向離焦：繼續(xù)增加負向離焦，使切割斷面到達底部；

【3】增加氣壓：繼續(xù)增加氣壓。

（3）不銹鋼厚板切割遇到分層現(xiàn)象，調整氣壓大小和正負離焦量效果均不明顯

可能原因：

【1】能量過于集中：在速度無法得到提升的情況下，激光器能量過于集中，與材料間反應過于劇烈；

【2】噴嘴選型錯誤：噴嘴選型口徑過小，導致流量過小。

解決方案：

【1】調整頻率占空比：保證峰值功率不變的情況下，適當降低頻率和占空比，舉例50mm不銹鋼切割時，速度無法增加的情況下，考慮將頻率調整至200HZ左右，占空比在55~65%之前，可得到較好切割效果；

【2】更換噴嘴：更換更大口徑噴嘴，提高氣體流量。

總結

相較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處理的工件更多，應用范圍更加廣泛，所以可以廣泛應用在鋼鐵、冶金、工業(yè)制造、船舶、航空航天、鐵路等大型工程建設中。隨著激光技術的不斷發(fā)展，光束質量的提高，相信未來激光切割能在更大的厚度上一展拳腳。

審核編輯 黃宇