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    CO2激光切割工業(yè)應用及其關(guān)鍵技術(shù)

    發(fā)布時(shí)間:2010-09-02    點(diǎn)擊數:1072

    (3)控制聚焦鏡(一般為金屬反射聚焦系統)的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點(diǎn)光斑直徑變大時(shí),自動(dòng)控制水壓改變聚焦曲率使焦點(diǎn)光斑直徑變小。(4)飛行光路切割機上增加x、y方向的補償光路系統。即當切割遠端光程增加時(shí)使補償光路縮短;反之當切割近端光程減小時(shí),使補償光路增加,以保持光程長(cháng)度一致。


      2.切割穿孔技術(shù):


      任何一種熱切割技術(shù),除少數情況可以從板邊緣開(kāi)始外,一般都須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔,然后再用激光從小孔處開(kāi)始進(jìn)行切割。對于沒(méi)有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基本方法:


      (1)爆破穿孔:(Blast drilling)


      材料經(jīng)連續激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小與板厚有關(guān),爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在要求較高的零件上使用(如石油篩縫管),只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時(shí)相同,飛濺較大。


      (2)脈沖穿孔:(Pulse drilling)


      采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為輔助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體壓力較切割時(shí)的氧氣壓力小。每個(gè)脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒,逐步深入,因此厚板穿孔時(shí)間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質(zhì)量好于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應具有較高的輸出功率;更重要的時(shí)光束的時(shí)間和空間特性,因此一般橫流CO2激光器不能適應激光切割的要求。此外脈沖穿孔還須要有較好的氣路控制系統,以實(shí)現氣體種類(lèi)、氣體壓力的切換及穿孔時(shí)間的控制。



    在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時(shí)的脈沖穿孔到工件等速連續切割的過(guò)渡技術(shù)應以重視。從理論上講通??筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件:如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實(shí)際上由于時(shí)間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現實(shí),具體方法有以下三種:


      (1)改變脈沖寬度;(2)改變脈沖頻率;(3)同時(shí)改變脈沖寬度和頻率。實(shí)際結果表明,第(3)種效果較好。


      3.噴嘴設計及氣流控制技術(shù):


      激光切割鋼材時(shí),氧氣和聚焦的激光束是通過(guò)噴嘴射到被切材料處,從而形成一個(gè)氣流束。對氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大,速度要高,以便氧化使切口材料充分進(jìn)行放熱反應;同時(shí)又有夠的動(dòng)量將熔融材料吹出。因此除光束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外,噴嘴的設計及氣流的控制(如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等)也是十分重要的因素。


      目前激光切割用的噴嘴采用簡(jiǎn)單的結構,即一錐形孔帶端部小圓孔(如圖)。通常用實(shí)驗和誤差方法進(jìn)行設計。由于噴嘴一般用紫銅制造,體積較小,是易損零件,需經(jīng)常更換,因此不進(jìn)行流體力學(xué)計算與分析。在使用時(shí)從噴嘴側面通入壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱(chēng)噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經(jīng)距離到達工件表面,其壓力稱(chēng)切割壓力Pc,然后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著(zhù)Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加??捎孟铝泄接嬎悖?/p>


      V=8.2d2(Pg+1)


      V-氣體流速L/mind-噴嘴直徑mmPg-噴嘴壓力(表壓)bar


      對于不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力過(guò)此值時(shí),氣流為正常斜激波,氣流速從亞音速向音速過(guò)渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度(n)兩因素有關(guān):如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時(shí)(Pn>4bar),氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?,切割壓力Pc下降,氣流速度減低,并在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響了切割速度。因此采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴,其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。


      為進(jìn)一步增加激光切割速度,可根據空氣動(dòng)力學(xué)原理,在增大噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設計制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾(Laval)噴嘴。為方便制造可采用如圖4的結構。德國漢諾威大學(xué)激光使用500WCO2激光器,透鏡焦距2.5〃,采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗,見(jiàn)圖4。試驗結果如圖5所示:分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關(guān)系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa(或4bar)時(shí)切割速度只能達到2.75m/min(碳鋼板厚為2mm)。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時(shí)切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。


      應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數。由于斜激波在氣流的邊界多次反射,使切割壓力呈周期性的變化。


      高切割壓力區緊鄰噴嘴出口,工件表面至噴嘴出口的距離約為0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩定,是目前工業(yè)生產(chǎn)中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為噴嘴出口的3~3.5mm,切割壓力Pc也較大,同樣可以取得好的效果,并有利于保護透鏡,增加其使用壽命。曲線(xiàn)上的其他高切割壓力區由于距噴嘴出口太遠,與聚焦光束難匹配而無(wú)法采用。


      綜上所述,CO2激光器切割技術(shù)正在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應用,國外正研究開(kāi)發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術(shù)與裝置。為了滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來(lái)越高的要求,須重視解決各種關(guān)鍵技術(shù)及執行質(zhì)量標準,以使這一新技術(shù)獲得更廣泛的應用。


     


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