激光切割及其加工系统基础专题——柳州激光切割工艺

三、激光切割工艺

3.1 激光切割的工艺参数

1、光束横模

① 基模 TEM。又称高斯模，是切割最理想的模式，主要出现在功率小于 1kW 的激光器中。

②低阶模。与基模比较接近，主要出现在1~2kW的中功率激光器中。

③多模。是高阶模的混合，出现在功率大于3kW的激光器中。

光束的模式越低，聚焦后的光斑尺寸越小，辐射照度越大，功率密度和能量密度越大，切口越窄，切割效率和切割面质量也越高。在切割低碳钢时，采用基模TEM。的切割速度要比低阶模TEM。提高10%，而切口表面粗糙度TEM。模式比TEM。模式低10um，在选用最佳切割参数时，切口表面粗糙度Ra可达0.8um。因此，切割金属材料时，从获得较高切口质量角度考虑，一般选用TEM模式的高光束质量的激光。

切割速度与横模及板厚的关系如下图所示。300W的单模激光和500W的多模激光有同等的切割能力。但是，多模的聚焦性差，切割能力低，单激光的切割能力优于多模激光。500W用基模TEM。激光切割厚度2mm不锈钢时，切割速度可达2m/min，而用低阶模TEM激光切割时仅为 1m/min。

2、激光束的偏振性

像任何类型电磁波传输一样，激光束也具有相互成90°并与光束运行方向垂直的电、磁分矢量，在光学领域把电矢量方向作为激光束的偏振方向。在切割金属和陶瓷时，明显表现出的切边质量不一致，如切缝宽度与切口粗糙度、垂直度的变化，就是偏振效应引起的，它能影响瞬间耦合到材料的光束能量的吸收程度。柳州激光切割

激光束的偏振性对切割质量和效率有很大影响。如果采用线偏振光进行切割，切割方向相对于光束的偏振方向发生变化，切割前沿对激光的吸收率就发生变化，从而影响激光切割的效率。

①当切割方向与偏振方向平行时，切割前沿对激光的吸收率最高，所以切缝窄，切口垂直度高、粗糙度低，切割速度快，如图4.22(a)所示。

②当切割方向与偏振方向垂直时，切割前沿对激光的反射率最高，吸收率最小，而横向吸收率反而提高，所以切割速度下降，切口变宽，切割面粗糙度也增大，如图4.22(b)所示。

③当切割方向与偏振方向成一斜角时，对激光吸收率最大的方向也与切割方向成一角度，结果切缝下部产生偏斜，如图4.22(c)、(d)所示。

④为了防止因切割方向的改变引起切口形状和切割面质量的变化，应采用圆偏振光进行切割。圆偏振光的电矢量幅值在各个方向上都是相等的，切割前沿对激光的吸收率不会因

切割方向的改变而变化，切口均匀整齐，如图4.22(e)所示。激光束的偏振特性对激光切割质量的影响如图4.23所示。

光束偏振位相(平行、偏角、垂直)对切口质量的影响如图4.24所示。切割方向与光束偏振面相平行时，切缝窄、切边平直;切割方向从偏振面移开，会导致能量吸收的递减，切割速度越慢，切口越宽，切边越粗糙，并与材料表面不垂直。一旦切割方向与偏振面完全垂直，切割不再倾斜，切割速度越慢，切口越宽，切割质量越差。

对形状复杂的工件来说，很难始终保持偏振方向平行于切割方向，为此现代激光切割系统配备了一种光学镜片，以获得等量耦合，消除不均一性，而不管切割方向如何。这种镜片称为圆偏振镜。因此，为了将激光器输出的线偏振光转变为圆偏振光，需在激光束出口处加装圆偏振镜。激光切割厂家

3、激光功率

激光切割时，要求激光器输出的光束经聚焦后的光斑直径最小，功率密度最高。激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气助熔切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。激光功率与板厚和切割速度的关系如图4.25所示。激光功率对切口宽度的影响如图4.26所示。

4、焦点位置(离焦量)

离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。离焦量对切口宽度的影响如图4.27所示。一般选择焦点位于材料表面下方约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。采用激光功率为2.3kW、切割不同厚度钢板时，离焦量对切割质量的影响如图4.28所示。

5、焦点深度

切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，则需要增大激光的功率;切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。金属激光切割加工

6、切割速度

切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。不同的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80%。采用 2kW激光功率，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min，2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。切割速度与板厚的关系如图4.29所示，图中的上下曲线分别表示能够切透材料的最大和最小切割速度。切割速度对切口宽度的影响如图4.30所示。切割速度对切口表面粗糙度的影响如图4.31所示。