烧失稳定激光氧气切割厚钢板

杨卫红

摘要：激光氧气切割厚度大于20mm的钢板时，造成的切割局部质量差的问题，本文介绍激光氧气切割和自体火焰切割技术的结合的烧失稳定激光氧气切割。切割速度达0.55?1.6m/mins；切割厚度超过20mm；切缝宽1mm；切割边缘粗糙度低于50um。

关键词：环形二极管激光束；激光切割；激光氧气切割；烧失稳定激光束氧气切割

引言：

激光束氧气切割不同于气切，主要区别于热源和氧气射流的相对布置。在气切期间，切缝的上边被热源加热，热源被气体射流包围着，氧气辅助激光切割过程使用了穿过切割喷嘴的同轴的聚焦激光束。在工件表面上的激光束的直径远小于氧气射流的直径。此配置允许铁的燃烧反应的点火在氧气射流的内部而不是在激光束的外部，因为通过热传导激光束周围的材料会被加热到点火温度。因此，低的切割速度（<1m/min）会使燃烧的前段趋向于接近被激光束照射的面积。但是，由于热传导和钝化的形成，会使燃烧过程接触不到激光束，从而使燃烧超时，所以這个预烧是不稳定的。如果凭借外部输入的方法使激光束接触到了切割前端，反应就再次启动。结果是，粗糙的切割过程的周期性中断使切割边缘出现了拖带的痕迹，并且平均反应能力降低[1]。这种功率泄露限制了激光束氧气切割的最大加工钢板厚度。

激光氧气切割一般用来加工厚至20mm的钢板。与较便宜的自体火焰切割技术相比，切割厚钢板时的速度更快，但也存在部分不好的品质。采用的烧蚀稳定激光束切割过程中除了从切割喷嘴射出的聚焦激光光束之外，还运用了另一个热源，例如，环形的二极管激光束围住了切割喷嘴来给切缝的顶端加热。这样做，所描述的损失机制（上面）可以得到补偿，从而使铁可以稳定燃烧。烧失稳定激光束氧气切割能够使在处理厚度超过20mm的钢板时，只留下低于50um的切割边缘粗糙度。可以加工的钢板的厚度理论上是无限的[2-3]。本文通过激光氧气切割和自体火焰切割技术的结合，切割厚度超过20mm的钢板时，得到了较好的切割品质和比气切更快的切割速度。这种结合或混合技术被称为烧失稳定激光氧气切割[2-3]。

1、二极管激光氧气切割系统

环形二极管激光束装置包括10个可调激光器模块，可以形成一个中央通道。对于氧气切割应用，模块的光束斑点是通过环形的预热激光器调节成了直径为5mm，宽度为1mm的光斑，并且在工件表面形成的最大功率为2KW。氧气通过通道的开口被注入到环形光束的中心，Laval喷嘴位于开口的末端。对于烧失稳定的激光束氧气切割的应用，该器件的中央有一个焦距为15英寸的硒化锌弯月透镜。这样，额外的CO2激光光束可以直接通过通道开口和切割喷嘴。为了防止装置被溅射和被烟尘覆盖，就使用了一个带有环形窗口的外壳。此外，交叉喷气的喷嘴产生了圆周形的、沿径向向外的定向空气喷射流。

在所喷射气体的参数中，氧气的纯度是一个非常重要的参数。氧气中的杂质将导致激光器最大切割速度和切割质量的降低。因此所用氧气的纯度越高越好，同时为避免高纯度的氧气受到周围空气的污染，喷嘴的喷射距离越短越好。实践证明，合适的氧气纯度为99.95%。距离越小则喷嘴对环形激光光束的自由传播阻碍就越大，同时喷嘴受损的危险性增大。

2、工作流程

环形半导体激光光束加热被切割金属的表面使其达到熔点但是对切缝却没有注入功率。因此更高功率的半导体激光器对激光切割所需功率没有贡献，即激光功率从1800W降低到700W的过程中最大切割速度没有变化。如果切割功率降低到使被切割物质表面的温度低于熔点则切割将无法进行。半导体激光器的输出功率达到700W就可以用来进行切割。用更高的功率来维持被切割材料表面保持熔点温度是没有必要的，这只会是材料过度融化而影响切割质量。此外，切割过程中限制最大切割速度的因素是燃烧反应的速度而不是二极管激光器的功率。用700W半导体激光器，以0.45m/min的切割速度，加气切割10mm厚的低碳钢。

对于稳定激光有氧切割，环形半导体激光器激光光学系统的中心尺寸的确定按照这样的方法：当光斑位于喷嘴的最小孔径内时，聚焦光束应小到足以安全的通过拉伐尔喷嘴。此外，瑞利长度必须足够大，确保可接受的光束可以通过切缝。现有的M2因子为3.8 、F数为15的二氧化碳激光器可用腐蚀性Vadura 1215A 60-100喷嘴进行激光切割。焦斑直径达到0.8毫米，雷利长度达到12毫米。

2.1结果展望

功率为700W环形二极管激光束工件被应用在切割系统上。板厚在10-30毫米，用KF4 60-100喷嘴进行自熔切割时允许的切割速度是0.35-0.75m/min。相应的切缝宽度为3mm是在板材厚度的一半处测得的。与FK460-100相比，孔径更大的Vadura 1215A 60-100喷嘴在有氧自熔切割30mm厚的低碳钢板是允许最大切割速度提高25%。但是，伴随的切缝却变宽为4.5mm，切缝边缘也很粗糙。环形激光光束强度分布的均匀性足够应用于对称直线切割和自身轮廓切割。可熔穿板材的激光束氧切割10 -，20 -，和30-mm厚板才。

3、结论

本文通过一个环形的二极管激光光束设备对10-20-30mm厚度的钢板进行烧失稳定激光氧气切割得出如下结论：

（1）环形的二极管激光束围住了切割喷嘴来给切缝的顶端加热，使铁可以稳定燃烧；

（2）环形激光光束强度分布的均匀性足够应用于对称直线切割和自身轮廓切割，可熔穿板材的激光束可切割10 -mm 、20 -mm和30-mm厚板材。

参考文献

[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.