燒失穩定激光氧氣切割厚鋼板

楊衛紅

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

關鍵詞：環形二極管激光束；激光切割；激光氧氣切割；燒失穩定激光束氧氣切割

引言：

激光束氧氣切割不同于氣切，主要區別于熱源和氧氣射流的相對布置。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程使用了穿過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小于氧氣射流的直徑。此配置允許鐵的燃燒反應的點火在氧氣射流的內部而不是在激光束的外部，因為通過熱傳導激光束周圍的材料會被加熱到點火溫度。因此，低的切割速度（<1m/min）會使燃燒的前段趨向于接近被激光束照射的面積。但是，由于熱傳導和鈍化的形成，會使燃燒過程接觸不到激光束，從而使燃燒超時，所以這個預燒是不穩定的。如果憑借外部輸入的方法使激光束接觸到了切割前端，反應就再次啟動。結果是，粗糙的切割過程的周期性中斷使切割邊緣出現了拖帶的痕跡，并且平均反應能力降低[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加工厚至20mm的鋼板。與較便宜的自體火焰切割技術相比，切割厚鋼板時的速度更快，但也存在部分不好的品質。采用的燒蝕穩定激光束切割過程中除了從切割噴嘴射出的聚焦激光光束之外，還運用了另一個熱源，例如，環形的二極管激光束圍住了切割噴嘴來給切縫的頂端加熱。這樣做，所描述的損失機制（上面）可以得到補償，從而使鐵可以穩定燃燒。燒失穩定激光束氧氣切割能夠使在處理厚度超過20mm的鋼板時，只留下低于50um的切割邊緣粗糙度。可以加工的鋼板的厚度理論上是無限的[2-3]。本文通過激光氧氣切割和自體火焰切割技術的結合，切割厚度超過20mm的鋼板時，得到了較好的切割品質和比氣切更快的切割速度。這種結合或混合技術被稱為燒失穩定激光氧氣切割[2-3]。

1、二極管激光氧氣切割系統

環形二極管激光束裝置包括10個可調激光器模塊，可以形成一個中央通道。對于氧氣切割應用，模塊的光束斑點是通過環形的預熱激光器調節成了直徑為5mm，寬度為1mm的光斑，并且在工件表面形成的最大功率為2KW。氧氣通過通道的開口被注入到環形光束的中心，Laval噴嘴位于開口的末端。對于燒失穩定的激光束氧氣切割的應用，該器件的中央有一個焦距為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通道開口和切割噴嘴。為了防止裝置被濺射和被煙塵覆蓋，就使用了一個帶有環形窗口的外殼。此外，交叉噴氣的噴嘴產生了圓周形的、沿徑向向外的定向空氣噴射流。

在所噴射氣體的參數中，氧氣的純度是一個非常重要的參數。氧氣中的雜質將導致激光器最大切割速度和切割質量的降低。因此所用氧氣的純度越高越好，同時為避免高純度的氧氣受到周圍空氣的污染，噴嘴的噴射距離越短越好。實踐證明，合適的氧氣純度為99.95%。距離越小則噴嘴對環形激光光束的自由傳播阻礙就越大，同時噴嘴受損的危險性增大。

2、工作流程

環形半導體激光光束加熱被切割金屬的表面使其達到熔點但是對切縫卻沒有注入功率。因此更高功率的半導體激光器對激光切割所需功率沒有貢獻，即激光功率從1800W降低到700W的過程中最大切割速度沒有變化。如果切割功率降低到使被切割物質表面的溫度低于熔點則切割將無法進行。半導體激光器的輸出功率達到700W就可以用來進行切割。用更高的功率來維持被切割材料表面保持熔點溫度是沒有必要的，這只會是材料過度融化而影響切割質量。此外，切割過程中限制最大切割速度的因素是燃燒反應的速度而不是二極管激光器的功率。用700W半導體激光器，以0.45m/min的切割速度，加氣切割10mm厚的低碳鋼。

對于穩定激光有氧切割，環形半導體激光器激光光學系統的中心尺寸的確定按照這樣的方法：當光斑位于噴嘴的最小孔徑內時，聚焦光束應小到足以安全的通過拉伐爾噴嘴。此外，瑞利長度必須足夠大，確保可接受的光束可以通過切縫。現有的M2因子為3.8 、F數為15的二氧化碳激光器可用腐蝕性Vadura 1215A 60-100噴嘴進行激光切割。焦斑直徑達到0.8毫米，雷利長度達到12毫米。

2.1結果展望

功率為700W環形二極管激光束工件被應用在切割系統上。板厚在10-30毫米，用KF4 60-100噴嘴進行自熔切割時允許的切割速度是0.35-0.75m/min。相應的切縫寬度為3mm是在板材厚度的一半處測得的。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。環形激光光束強度分布的均勻性足夠應用于對稱直線切割和自身輪廓切割。可熔穿板材的激光束氧切割10 -，20 -，和30-mm厚板才。

3、結論

本文通過一個環形的二極管激光光束設備對10-20-30mm厚度的鋼板進行燒失穩定激光氧氣切割得出如下結論：

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

（2）環形激光光束強度分布的均勻性足夠應用于對稱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

[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.