激光切割中毛刺的产生?

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    激光切割机操作员卸载一张切割部件。除了固定在适当位置的小部件之外,切割件从嵌套中抬起以露出干净的边缘,为下一步操作做好准备。这至少是理想的。

    当然,通常还会留下毛刺(或渣滓)。这种缺陷可能看起来像是课程的标准,但很多时候,操作员可以通过对切割参数进行正确调整来避免它们。为了揭示它们,操作员需要确切知道当激光切割光束,辅助气体和工件相互作用以产生完美切割边缘时会发生什么。

    那么这些参数是什么?那么无毛刺激光切割的秘诀是什么?当然,主要由操作员控制:气流动力学,或辅助气体如何流过切口。

知道要更改哪个参数

    在大多数情况下,现代机器控制激光束特性:具体而言,光束功率(通常在最大值)和光束轮廓。基于所使用的聚焦光学器件,光束聚焦被设定用于特定材料等级和厚度。

    技术人员(以及现代系统,机器本身)可以检查无数参数,从通过光束传输系统(在CO 2激光器中)的光束对准​​到喷嘴居中,校准焦点位置以确保在CNC上指令的焦点位置对于每个使用的镜头直径,匹配工件上的真实焦点位置。

    对于某些应用来说,切割时焦点过高可能会留下尖刺的渣滓; 在切割时聚焦太低会产生较慢的切割速度并且会留下珠子,这是“过度冲洗”的迹象。

    焦点位置通常保存为切割程序表的一部分。其余参数包括气体压力,喷嘴间隙,指令激光功率 - 频率负载以及各种切割轮廓的切割速度。

    许多参数调整在现代系统上是自动调整的,包括将喷嘴更换为更小或更大的直径。这意味着站在机器旁边的操作员通常会调整气体压力,焦点位置和切割速度。有时候他们会做任何他们需要做的事情来完成这项工作,而且他们不一定以正确的方向调整参数,代价是边缘质量或人工渣滓。

 

    假设操作员注意到不锈钢部件切边底部有毛刺。操作员的第一个(和逻辑)反应是减慢切割速度。这才有意义,因为在他或她的脑海中,切割头行进太快,从而产生重复性和切割性能的问题。

    在减速并改变辅助气体压力以适应之后,操作员发现更大的毛刺。是什么赋予了?答案在于确切地知道气体,光束和材料如何相互作用以产生毛刺。

毛刺的产生?

    首先描述一下基础知识:激光切割机激光束的强烈能量使金属超出其熔化温度,辅助气体的动态作用将熔融金属从切口中排出。当使用氮气(惰性气体)时,切割过程仅依靠梁的能量来熔化金属。当用氧气辅助气体切割碳钢时,氧气与铁水相互作用产生放热反应,从而增加热量。

    不需要那么多的气压来实际喷射材料。这就是为什么使用氧气切割,你的压力要低得多,而辅助气体的动态流动要慢得多。

    在任何一种情况下,由熔融金属(并且在氧气切割的情况下,熔渣)产生的毛刺比可以抽空的更快地凝固。固化的材料在切口底部变成钟乳石,构成毛刺。

    是什么原因导致金属凝固速度快于可以疏散?找到原因,然后您就可以获得更清晰的激光切割边缘了。

气体动力学

    理想情况下,操作员应该在质量,效率和成本方面做出改变,特别是在氮气辅助气体方面。氮气辅助气体可以占激光切割可变成本的35%到50%,因此控制消耗量非常重要。因此,设置切削参数时首先要考虑的因素之一是最小化喷嘴直径。也就是说,您可以选择最小的喷嘴直径,以获得所需的质量和性能。

    在辅助气体流量方面,喷嘴直径有很大差异。如果操作员将喷嘴直径增加2倍,则气体流速增加4倍。

    一旦确定了最小的喷嘴直径,就可以确定获得优质切割所需的最低压力,在这种情况下,您可以获得良好的熔融金属分离并且没有毛刺。肯定不想在压力上过高,或者你最终会按比例增加你的流量。

    对于较厚的工件,氮气切割压力通常设定在150 PSI以上并高达375 PSI - 远高于相对低压的氧气切割(28 PSI或更低,取决于操作和材料厚度)。压力应该足够高,但是,为了节省成本,不得高于必要的压力。

    在确定最小“良好”喷嘴直径的情况下,激光切割机操作者遵循经验法则并将距工件的间隙距离设定为等于一个喷嘴直径。其原因并不完全直观。

    确实,将支座设置得太高会导致辅助气体难以从切口中清洁且有效地排出熔融金属。如果操作员不知道他应该减少间隙距离,他会增加气体压力以补偿,增加天然气利用率和那些可变成本。

    但是,至少在氮气切割的情况下,保持特定喷嘴间隙的另一个原因是至关重要的,其中包括打破声屏障。气流变为超音速,并且在这样做时产生冲击波。当喷嘴处于不正确的高度时,这些冲击波以负面方式与工件表面和切口相互作用,并补充说同样的事情也适用于喷嘴边缘或内壁上的飞溅物。突出的飞溅物中断了气流动力学并使切口上的超音速冲击波偏转。冲击波使熔融金属排出不稳定,并且一些金属在离开切割区域之前冷却,固化同时仍然悬挂在底部切割边缘上。换句话说,你得到一个毛刺。

    这就是为什么用干净的喷嘴进行切割非常重要的原因。这也是现代激光机器具有检测喷嘴障碍物并自动清洁喷嘴以消除它们的传感器的原因之一。

    在内部,大多数喷嘴是圆柱形的,并且能够承受各种板材厚度。一些适用于窄范围(通常较厚)材料的喷嘴具有会聚和发散形状,旨在使包围光束的气流具有类似的会聚和发散或沙漏形状。

    当进入和离开其焦点时,光束的沙漏形状,以及当氧气切割时放热反应的位置和性质,产生在较厚的板上看到的特征性切割边缘。材料越厚,切割的顶部和底部表面之间的气体动态和激光束形状就越大。边缘在顶部是光滑的,并且在切口中变得更粗糙,最终在底部变成粗糙的条纹。

    辅助气体还与环境空气相互作用。热气体分子比较冷的气体分子移动得更快,并且这些分子轰击快速移动的辅助气体分子。潮湿空气的表现也与干燥空气不同。所有这些都会影响气体流动。喷嘴直径和气体压力可以在1月的早晨单向设定,在7月的下午可以设定另一种显着不同的方式,这都是因为环境空气温度的变化。因此,当确定经济有效的操作的最佳设置时 - 再次,最小的喷嘴直径和最低的压力以实现良好的切割 - 操作员需要从一开始就注意环境空气温度的影响。

越慢并不意味着更好

    喷嘴直径和气体压力的“越来越小”的逻辑不适用于切割速度。切尔再次描述了氮气切割不锈钢的典型情况:即操作者减慢切割速度以避免毛刺。

    当你走得太慢时,你最终注入的热量超过了切口所需的热量。你最终将温度升高到一个极端水平,这会导致蒸汽干扰气流。这种干扰反过来导致更多的毛刺,而不是更少,这就是为什么操作员可以通过减慢进给速度来降低切割质量的原因。

    操作员基本上错误地解释了切口中发生的情况。激光束沿着切割边缘在每个点处停留太长时间,因此引起过多的热量和少量消融。这扰乱了气流动力学,而气流动力学又没有在适当的时间排出适量的熔融金属。它留下一些金属,在切口底部固化成毛刺。

    知道了这一点,操作员可以通过实际略微提高切割速度来防止毛刺该速度增加将减少热输入和消融,并将气流动力学恢复到其适当的状态。

氧气切割注意事项

    当激光切割机操作员切换到碳钢的氧气切割时,他也必须考虑放热反应。这里的氧气纯度水平起着重要作用。

    氧气切割碳钢受益于更高的氧气纯度水平。它已被多次证明,与两个CO 2激光器和光纤激光器,增加氧气全球纯度99.95%或以上到99.98或99.99%的-我们可以增加切割速度在生产显著,有时30%和40%之间。 

    如果氧气杜瓦瓶或圆筒的纯度水平下降,则该杂质通常是氩气。这是因为当在空气分离装置中低温生成氧气时,氧气和氩气在非常相似的温度下液化。

    氩杂质不会改变气体动力学,也不会改变辅助气体如何流过切口。但是氩气比氧气分子重,并且具有非常不同的导热特性。因此,当你向混合物中加入氩气时,你会改变主要是氧气辅助气体和熔融金属之间的化学相互作用。

    这改变了放热反应,这反过来又会影响切割性能。放热反应与气体流速(再次,远低于氮气切割)一起工作,以燃烧和排出熔融材料和炉渣。如果没有有效地去除熔融材料和氧化渣,则它在切割边缘上仍然是毛刺。

不要忘记管道

    大多数激光切割系统安装人员都知道,如果肘部不可避免,可以避免气体管道中的弯头(可能引起压力下降)或超大管道直径以补偿压力下降。

    还有一件事:当你有停机时间,并且气体没有流向激光器时,空气正在穿透并填充管道,这可能会导致激光重新启动以进行下一次换班或操作时出现问题。除非你清除管道中的气氛,否则你的辅助气体会被污染,你仍然会有切割困难。

一种微妙的科学

    这似乎是一种避免毛刺和获得干净切割边缘的杂耍行为。但它真的归结为激光束参数和气体动力学。有些横梁可能需要不同的气体动力学。例如,光纤和盘式激光器具有高度可聚焦性,可产生小斑点,从而形成狭窄的切口; 较窄的切口需要较高的气体流速,从而需要适当地排出熔融材料的压力(尽管该技术的现代迭代具有较长的焦距和适合较厚材料的光束特性)。尽管光束波长和轮廓可能不同,但光纤激光器和辅助气体仍然可以一起工作。

 

    实现无毛刺切割是为了确保梁参数和气体动力学协同工作,以确保适当数量的熔融金属在正确的时间以正确的方式排出切口如果激光切割机操作员和技术人员试图在不考虑工艺基础的情况下解决切割质量问题,他们可能会在黑暗中拍摄。