如何降低等離子云對激光切割金屬的影響

 近年來(lái)，隨著(zhù)對鈑金切割的要求越來(lái)越高，傳統的切割方式因精度低、熱影響區域大等缺點(diǎn)而難以更好地滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求；而光纖激光切割具有熱影響區域小、精度高、速度快、無(wú)接觸加工等諸多優(yōu)勢，正在逐步取代傳統切割工藝。

如圖1所示，激光切割金屬的原理是利用激光光束作為熱源照射在金屬材料表面，使得金屬材料表面溫度升高達到熔（沸）點(diǎn)，同時(shí)噴嘴噴出與激光光束照射方向平行的切割氣體將熔（氣）化物吹走（當切割氣體為氧氣這類(lèi)活性氣體時(shí)，切割氣體還會(huì )與金屬材料發(fā)生氧化反應，提供氧化熱量）。通過(guò)控制運動(dòng)裝置，切割頭按照預定線(xiàn)路運動(dòng)，切割出各種形狀的工件。

圖1激光切割金屬原理

在激光切割金屬過(guò)程中，入射激光的功率密度不一樣，金屬材料表面發(fā)生的變化也不一樣。一般而言，當金屬材料表面的激光功率密度達到10MW/cm2數量級時(shí)，金屬材料表面會(huì )迅速升溫至材料的沸點(diǎn)，強烈汽化成金屬蒸汽。當金屬材料表面的激光功率密度超過(guò)100MW/cm2數量級時(shí)，未能及時(shí)排走的金屬蒸汽會(huì )被激光能量重新加熱，形成等離子云。

激光切割金屬材料所產(chǎn)生的等離子云大部分會(huì )被切割氣體吹走，剩下的小部分則會(huì )形成等離子云團影響金屬切割：

1）等離子云團會(huì )滯留在金屬材料表面，阻礙激光能量的傳輸，降低切割速度。

2）滯留在噴嘴下方的等離子云團不僅會(huì )改變噴嘴與金屬材料之間的電容介質(zhì)，還會(huì )加熱噴嘴、影響其電容性能參數，對電容式調高器的檢測結果產(chǎn)生干擾，降低了隨動(dòng)控制的精度，影響了切割效果。

以目前市面上廣泛應用的2000W激光器為例，假如配合100/125的（準直鏡焦距/聚焦鏡焦距）切割頭使用，如表1所示，當尾纖的芯徑小于40μm時(shí)，零焦處光斑的平均功率密度就會(huì )達到100MW/cm2數量級，尤其是在切割薄金屬板時(shí)，更容易產(chǎn)生等離子云。

表1 零焦點(diǎn)處光斑的平均功率密度表

注：公式1：切割頭變焦比：M=d?/d?（ d?：聚焦鏡焦距    d?：準直鏡焦距））

公式2：零焦處光斑半徑：R=0.5 * D * M  （D：激光器尾纖芯徑）

公式3：光斑平均功率密度：P=P?/（ π* R2 ） (P? ：激光器功率)

近年來(lái)單模激光器的優(yōu)勢得到了市場(chǎng)的認可，隨著(zhù)光學(xué)方案的不斷優(yōu)化，單模激光器的功率也在逐步提升。由表1可以看出，更高的光束質(zhì)量（一般對應更細的尾纖芯徑），更高的輸出功率，零焦處光斑的平均功率密度也會(huì )越來(lái)越高，在切割薄金屬板時(shí)更容易產(chǎn)生等離子云。

針對該難題，采用以下切割工藝可以有效降低等離子云對切割過(guò)程的影響：

1.采取脈沖式切割。采取脈沖式切割方式，一方面可以保證激光的峰值功率，另一方面又能縮短激光對金屬材料的照射時(shí)間，減少了等離子云的產(chǎn)生。

2.適當降低激光器切割功率。在不改變其他條件的前提下，降低切割功率可以減小焦點(diǎn)處平均功率密度、減少等離子云的產(chǎn)生。國內某大型激光公司曾做過(guò)測試，用單模2000W激光器滿(mǎn)功率零焦切割1mm不銹鋼時(shí)，因等離子云的影響導致切割速度不理想，在將切割功率降低至1800W時(shí)，切割速度反而提升了50%。

3.適當增寬切割割縫。增寬切割割縫不僅為等離子云團向下方散去提供了更寬的通道，降低等離子云對切割的影響，還有助于加速割縫中熔渣的排出，增強切割效果。

4.適當縮短切割高度。切割高度不僅直接決定了噴嘴與金屬材料表面之間的等離子云團厚度（距離越短，等離子云團越?。?，而且越靠近切割噴嘴，噴嘴中心噴出的切割氣體壓力會(huì )越高（見(jiàn)圖2），切割氣壓升高有助于加快噴嘴下方等離子云團的散開(kāi)，減少等離子云團對入射激光的屏蔽。所以在保證切割頭安全的前提下，隨動(dòng)距離越近越好。

圖2噴嘴下方不同距離處噴出氣體壓力分布圖 

5.采用合適的切割噴嘴。合適的噴嘴可以在不增大噴嘴口徑的前提下，氣體流速更快，能夠加速金屬等離子云團的散去。

6.在切割頭上增加側吹氣裝置與噴嘴冷卻裝置。側吹氣裝置用于吹散部分等離子云，減少?lài)娮煜路降入x子云的聚集，噴嘴冷卻裝置則可以減少等離子云對噴嘴的熱影響，避免影響噴嘴的電容性能參數。

7.采用高采樣率電容式調高器。高采樣率電容式調高器不僅可以保證隨動(dòng)精度，還可以通過(guò)監控電容值的變化判斷出噴嘴下方等離子云的變化，機床通過(guò)監控等離子云的變化，可以采取減速、暫停、脈沖切割等措施來(lái)降低等離子云對切割產(chǎn)生的影響。

湖南大科激光有限公司生產(chǎn)的DK-YSM 2000AR單?？垢叻催B續光纖激光器，采用單諧振腔型結構，結構緊湊，其光束質(zhì)量M2<1.2，接近衍射極限，在切割薄金屬板時(shí)由于光斑功率密度很高，很容易就產(chǎn)生等離子云，影響切割效率。湖南大科激光的切割工藝工程師通過(guò)工藝驗證，在保證切割頭安全的前提下，盡量降低切割高度，再配合定制的雙層噴嘴等工藝措施，降低了等離子云對切割的影響，充分發(fā)揮了該激光器高亮度（高能量密度）的優(yōu)點(diǎn)，在金屬薄板上的切割速度不僅可以趕超多模3000W，甚至能夠媲美多模4000W（見(jiàn)表2）。

圖3  DK-YSM 2000AR單模激光器的外觀(guān)與光學(xué)參數

表2 大科單模2000W激光器與典型多模激光器切割速率對比

此外，DK-YSM 2000AR單?？垢叻催B續光纖激光器具有獨特的抗回反光設計，能實(shí)現對高反材料（如鋁、黃銅、紫銅）長(cháng)時(shí)間無(wú)誤警的連續切割。

圖4   4mm紫銅連續1h切割樣品