用Nd：YAG激光切割50毫米厚的软钢板

工业激光加工设施工业研究所Swinburne（IRIS）

斯威本科技大学

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抽象

  我们报告了实验结果，该实验研究了用纤维耦合Nd：YAG激光切割厚（> 15mm）低碳钢板的可行性。用连续波2.5kW Nd：YAG激光器通过0.6mm直径的二氧化硅芯光纤传送到工件上进行实验。低碳钢样品的厚度范围为10至50毫米。介绍和讨论了一系列操作参数的影响，如焦点和切割喷嘴位置相对于钢表面，辅助气体压力，功率和处理速度，切割表面质量。迄今为止的结果表明，可以以高达200mm / min的速度切割高达50mm厚的低碳钢板，并且具有低至500W的Nd：YAG激光功率。切面光滑，没有渣滓。这些结果显示了Nd：YAG激光技术在切割厚钢板方面的应用前景。

1.0简介

  激光切割约占激光材料加工行业的1/4 [1]。自第一次气体辅助激光切割生产以来已有30多年的历史[2]，激光切割方法几乎没有改变。对于切割低碳钢，激光束聚焦在工件表面处或附近，并被更宽的同轴氧气辅助气流包围。通常使用高达3 kW的激光功率将低碳钢切割成12-15 mm厚度，厚板主要用等离子或氧 - 燃料系统切割。虽然可以使用CO2激光切割金属厚度达40毫米，但切割质量和重现性显着下降[3]。

切割较厚的低碳钢板的一种解决方案是增加激光功率。虽然这种方法有许多优点，但也存在重大挑战。在较高功率（3.5kW及更高）下，光束质量变得不稳定，光学元件的寿命降低，设备和运行成本高并且切割精度恶化。在[4]中证明，对于给定质量的表面光洁度，虽然切口的厚度保持近似恒定，但切割速度不会与其成比例地减小，表明随着材料厚度的增加切割效率降低。随着材料变厚，切割效率降低归因于辅助气体剪切熔体的能力降低。随着较厚材料的切割，必须增加压力以允许去除熔融材料。然而，当使用氧气辅助气体时，反应的放热性质意味着氧气压力必须随着厚度增​​加而减小，以阻止在切口内发生过度反应。严密控制氧气压力对于防止不受控制地远离加热区域燃烧至关重要。这代表了成功切割厚软钢的要求的矛盾。尽管能够通过增加激光功率来扩展切割性能，但它限制了最大切割厚度。为了克服这种限制并扩展反应性熔融切割的厚度能力，需要替代和新颖的方法。

  随着低碳钢厚度的增加，已经开发了许多技术来克服切削性能的降低。其中包括：激光火焰切割[5]，双焦点透镜[6]，自适应光学光束锯切[7]，使用同轴（环形）喷嘴进行激光切割[8]，双光束CO2激光切割[ 9]，旋转激光束[13,14]和激光辅助氧气切割（Lasox©）[10 - 12]。

  我们之前曾报道[14]使用旋转Nd：YAG激光束切割较厚的低碳钢板。这里报告的是使用纤维输送的Nd：YAG激光通过摆动激光束（类似于旋转光束的方法）和通过氧气主导的激光切割方法切割厚的软钢板（> 15mm）的结果，例如Lasox切割[10,11,12]。氧气主导的Nd：YAG激光切割试验是首先使用低氧气辅助气体压力进行的。

 2.1摆动激光束

2.1实验细节

  如图1（a）所示，通过光学窗口的部分旋转（振荡）产生摆动激光束的角度。这导致在20Hz的最大频率下最大焦斑偏移为0.45mm。在图1（b）中示出了合成轨道，其具有夸张的波长以显示振荡运动。可以改变窗口的振幅以实现切口宽度的变化，以研究切口加宽对切割过程的影响。

2.2使用激光辅助氧气切割方法切割钢材

  激光辅助氧气主导切削的方法在厚度为16至50mm的AS3678低碳钢板上实施。氧气辅助气体压力保持低于120kPa（低压氧气切割-LoPOx）或高压（高压氧气切割-HiPOx）。切割结果记录为切割质量（切割条纹，切口形状，过量浮渣）和切割速度的函数。

3.0结果

3.1摆动激光束。

  通过在工件上摆动光束，最大切割厚度从常规切割遇到的12 mm增加到16 mm。如图2所示，各种厚度和激光功率的最大切割速度图表明，尽管切割厚度随摆动梁的增加而改善，但切割速度与传统（CW）切割相似，这表明切割在摆动切割期间，在切口内发生的过程保持不变。旋转梁也实现了类似的切割速度[14]。

  增加的切割厚度可归因于增加的切口宽度。通过改变摆动的幅度来证明这一点，如图3所示。这里，当摆动幅度从0.45mm的最大幅度依次减小到零时，切口宽度减小，对应于清除能力的降低。融化。这清楚地表明必须有足够的切口宽度以允许浮渣清除。其他人[12]也表达了这种观点，其中表明流体动力学和热力学都受到窄切口的约束。

3.2使用激光辅助氧气主导的方法切割钢

3.2.1低压氧主导切削--LoPOx

  LoPOx切割工艺在Lasox工艺中使用相同的较大直径激光束和窄工作氧气射流，但辅助气体压力低于120 kPa。使用LoPOx工艺切割图4所示的表面表明，只要能够进行初切和正在进行的切割，低入射激光功率就不会妨碍激光切割。实际上，随着切割速度增加，入射激光功率可能贡献太多能量并因此导致过度的条纹发生。图中通过观察450 mm / min的切割速度证明了这一点，其中533 W入射激光功率产生的表面比1420时更好。

W.这里，放热反应的速率由切割速度决定。入射激光功率仅需要将顶面加热到大于1000°C [11]并启动反应熔合过程。过多的入射激光功率会降低切割质量。这表明氧 - 铁相互作用的问题，而不是入射激光功率，现在主要决定了切割质量。因此，这是一种以氧为主的激光切割工艺。

在图4中，随着每个切割速度的功率降低，最小入射功率的初始指示是在右手端看到的较差的切割开始。这表明切割开始时的功率要求高于正在进行的切割过程的功率要求，并且快速建立稳定切割过程所需的功率而不是正在进行的过程的功率是基本标准。

  当LoPOx使用较小的同轴喷嘴直径切割相同厚度的材料时，可获得相同的切割速度，但切口宽度较窄，因此氧气流量减少。然而，在图4中使用较大的喷嘴直径的情况下，在较低的激光功率下无法实现高质量的切割。尽管由于穿过较小直径的喷嘴而产生更强的激光光斑。这表明需要足够宽的切口以允许浮渣清除同样适用于氧气主导的切割过程。

  切口的侧面比传统（激光控制）切割中遇到的更加锥形。切割过程的氧气主导性质意味着切口受到施加的氧气射流的形状的影响，切口的顶部与所使用的同轴喷嘴的宽度相同。

  喷嘴和工件之间的间隙是变化的，这种变化的典型结果如图5所示。对于各种喷嘴直径，切割质量显着降低，间隙大于喷嘴直径的25％。在进入切口之前，喷嘴 - 工件间隙的增加暴露出更多从喷嘴到周围大气的气流[8]。在没有相应的激光光斑直径变化的情况下进行间隙的改变，得到类似的结果。这进一步表明，辅助气体而非入射激光功率强度的变化是影响测试范围内的激光切割质量的因素。图5还示出了太小的间隙（0.1mm）的影响，其中会聚光束尚未超过气体射流直径，因此不允许以氧气为主的激光切割过程进行操作。

  使用Nd：YAG LoPOx切割实现最大切割厚度32mm。使用所使用的喷嘴直径切割超过该厚度导致在切口内形成过多的浮渣并且切口的垂直度损失。当使用低（常规）切割压力时，这进一步证明了切口宽度和切割厚度之间的关系。

3.2.2高压氧主导的Nd：YAG激光切割 - HiPOx

使用更高的供应压力和更小直径的喷嘴，发现可以切割比先前通过LoPOx工艺获得的钢更厚的钢。使用AS 3679钢板，切割能力显示在32至50 mm之间。关于材料厚度和激光功率的典型切割速度如图所示

该图显示了用于较薄材料的低压区域的切割过程的延续。

  使用高输送压力的效果意味着气体流动是复杂的并且可以产生内部冲击特征。切割过程中冲击结构相互作用的证据可以看作切割表面中的“脊”或较小的标记，并且看作垂直于条纹的线。此外，这些脊与喷嘴 - 工件间隙的移动是由于辅助气体内部冲击的加强或消除以及在切口开始时出现的形状为“X”的特征性冲击[15]。工作[16,17]也表明了冲击与切口壁的复杂且有时振荡的相互作用。切割的振荡性质的证据是在一些切割条件下可以听到的稳定的“嗡嗡声”。

使用1.5 mm直径的同轴喷嘴，切割能力显示为32和40 mm板的满意度，切割40 mm板的结果如图7所示。喷嘴 - 工件间隙随着辅助气体压力的高而显着增加由于较低的高速气流不同，切口的形状远不如LoPOx中的锥形。这种切口可以在图8中看到。

  使用光纤传送的轮廓切割Nd：YAG LoPOx技术是可行的，其示例如图9所示。角部内部的温度升高导致这些点处的锥度增加。这可以在图9（a）的圆形切口和图9（b）中的角部的底切处看到。如图所示，通过使用降低的切削速度可以最好地克服尖角的底切。

  使用与CO2一起使用的Nd：YAG激光器进行高压氧主导切割[12]也表明其穿孔性能优异，刺穿32 mm AS3679板所需的时间不到一秒。向上喷射的浮渣的去除仍然是一个问题，它存在于切割路径中的板表面上，不利于切割质量

4.0讨论

  尽管采用了新颖的激光切割工艺和切割厚度的增加，但切割过程本身仍保持不变。这可以通过切割厚度的降低和传统的旋转梁和摆动梁切割的切割速度的相似性来证明。因此，尽管方法发生了变化，但仍然存在通过反应熔融切割厚钢板的基本因素，例如传导损失和由于粘度和表面张力引起的熔体流动去除的限制。

  通过使用Nd：YAG激光器使用氧气主导的激光切割产生的较大和变化的切口宽度以及通过使用Nd：YAG激光器产生的各种切口宽度产生的切口宽度表明随着切割厚度增加需要适当宽的切口。然而，在中等厚度（~32mm）处，将切口增加到超过最大LoPOx喷嘴产生的切口，由于氧气消耗变得过高而变得不可行。为此，HiPOx的使用自成一体。使用高压并因此高速辅助气流使得氧气与大气气体的结合较少，因此更容易用于反应性熔化。此外，它在熔体面上提供显着增加的剪切力，以克服其与切口的间隙的阻力。 HiPOx工艺的另一个特点是获得了大的喷嘴 - 工件间隙。这确保了高压喷嘴的可靠性。

氧气主导的切割仅依靠入射激光功率来启动然后维持切割。结果表明，这些功率远低于等效传统切割所需的功率。然而，开始稳定切割所需的功率高于整体切割过程所需的功率。因此，仅在切割开始时可以使用增加的功率以最大化功率效率。

  已经证明型材切割是可行的，具有切割切角内侧的缺点。这可以通过在这些位置适当编程切割速度来克服。显示厚板的穿孔是可行的，但是存在向上喷射的渣滓的问题，其随后干扰在随后的切割期间辅助气体的输送。这可以通过在最初执行所有穿孔之后通过使用围绕喷嘴的向外的环形空气喷射或通过使用CNC等待命令进行操作员清洁来处理。

5.0结论

  使用氧气主导的激光切割以及使用更宽的切口切口证明了使用中等功率，光纤传输的Nd：YAG激光切割厚软钢板的可行性。这可以使用低压输送来实现，厚度为32mm的低碳钢板。高压气体输送已经表明，切割厚度可以容易地实现，并且能够快速刺穿材料。存在与冲击伪影相关的切割质量的持续问题以及关于需要仔细CNC编程的角落底切的问题。为了成功穿孔，需要随后从切割路径移除向上喷射的渣滓，以确保保持下面工件的切割质量。

6.0致谢

  作者希望感谢智能制造系统和技术有限公司的CRC为旋转梁项目提供资金，否则上述研究和结果无法组装。

参考

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