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焦点位置在激光切割中的重要性

发布时间:2020/01/30 09:13

焦点位置在激光切割中的重要性

了解激光束聚焦的规则对于交付高质量的激光切割零件至关重要

发布于:2020年1月30日

发布人:第四色网站婷婷_第四色电影网_第四色成人电影_妖后娱乐第四色

关于:激光切割

激光切割

所有的孩子最终都会发现阳光和放大镜的共同作用。通过放大镜聚焦太阳的能量并着火的能力绝对使他们着迷。

他们发现上下移动镜头时,其斑点会同时改变大小和亮度。在干燥的叶子上放置紧密聚焦的斑点会立即使其突然着火,但是当通过扩大聚焦点扩大燃烧模式时,需要更长的时间才能在叶子上产生明显的效果。

有好奇心的孩子们继续学习更多有关放大镜和太阳之间关系的知识。上下移动放大镜时,该点的大小会减小,直到变成一个很小的亮点为止,然后随着透镜的继续移动而再次增大,就像在三个维度上创建了沙漏形一样。孩子们了解到,除非以与太阳角完全垂直的角度握住镜片,否则他们在燃烧过程中收效甚微。获得的经验:以正确的角度保持最小的光斑大小是燃烧树叶的最有效方法。

对于许多孩子来说,这是他们关于专注的第一课。对于该作者来说,它是使用高功率激光切割系统跨越20年的职业生涯的催化剂。

聚焦激光束

每个制造商都可能对激光切割中最重要的元素有自己的看法。您认为它保持最小的光斑尺寸和垂直于激光束轴的透镜方向吗?如果回答是,则说明您部分正确,但是在激光束特性和切割应用方面还需要考虑许多其他因素。保持材料内的焦点位置对于激光切割参数的可重复性以及产生一致的边缘质量至关重要。

例如,当处理较厚的材料时(参见图1),实际上有必要创建较大的燃烧模式以创建较宽的通道,这是支撑在切割过程中必须排出的大量熔融材料所必需的。要创建这种扩大的燃烧模式,请根据辅助气体将光束聚焦在材料表面的上方或下方。因此,在较厚的材料上将小斑点聚焦在表面上通常不太成功。

但是,对于较薄的材料(请参见图2),聚焦在材料表面的小斑点比较大的斑点更有效,因为涉及的材料较少,因此不需要更宽的通道。

激光切割要考虑的一个非常重要的因素是使用辅助气体,例如氧气,氮气或压缩空气。每种气体具有与加速燃烧过程,排空熔融材料或两者相关的特定属性。

在激光切割中,辅助气体支持两种特定的反应:放热或吸热。聚焦规则随反应类型和所用气体的不同而不同。

专注于放热反应

通过使用提供加速特性的气体(例如氧气)产生放热反应。在这种类型的反应中,由于氧气与液态的熔融材料剧烈反应,激光束的强烈能量会汽化(或实际上使沸腾)切割的材料。在高压,氧气辅助的切割过程中,基材会被带到很高的温度,以至于材料几乎完全转化为热蒸汽。
激光切割
图1对于切割厚的材料,需要较大的燃烧模式以创建宽的通道,以便在激光切割过程中排出熔融的材料
 

支持放热反应的聚焦规则要求,对于较厚的材料,聚焦位置必须位于表面上方;对于较薄的材料,聚焦位置应位于顶部表面。

当焦点位于材料上方时,通常使用低压低体积帮助液化然后排出熔融材料(每小时40立方英尺约6至8磅/平方英寸)。实际上,由于很少量的氧气无法支持完全蒸发,因此几乎没有材料被蒸发。当焦点刚好位于材料表面时,通常会使用高压和大体积(80 CFH时约为60 PSI)。这足以支持材料的剧烈汽化。

这就是为什么当您检查大多数切割较薄的材料的大多数切割台时,会看到很少的材料堆积在切割台支架上。相比之下,用于加工较厚材料的切割台将在其支架上积聚更多的材料。

集中吸热反应

另一方面,当您使用具有惰性或非反应性的气体时,会产生吸热反应。氮气和氩气属于此类。

在这种类型的反应期间,气体仅支持熔融材料通过切槽的排出。吸热过程高度依赖于聚焦激光束的原始能量,以使贱金属迅速进入熔融状态并创建适当的切割通道。这允许惰性气体通过切割通道排出液化物料,从而留下一个干净的切割表面,没有炉渣粘附。

支持吸热反应的聚焦规则要求聚焦位置在材料底部或底部。将焦点保持在材料下方会在切割通道中产生轻微的V形,从而允许高压气体以高速将熔融材料压缩通过切割通道,并将其排出通道的底部。

吸热反应需要大体积和高压以支持熔融材料的快速排出。对于薄材料,典型的体积可以从350 CFH开始,对于较厚的材料,典型的体积可以超过3,000 CFH。薄材料的压力可以从140 PSI开始,厚材料的压力可以上升到300 PSI以上。

实际上,使用压缩空气作为辅助气体会同时产生吸热和放热反应。但是,由于空气量主要由氮气组成(约占78%),因此它主要是吸热反应,而少量的氧气(约占20%)会同时产生但较小的放热反应。由于氧的反应特性,这导致基材的更快熔化。空气的其余部分基本上是惰性的,仅增加了由氮气产生的吸热反应。

当焦点位置保持在材料厚度的中心时,压缩空气切割效果最好。

原始光束效果

就像太阳的强度会影响放大镜聚焦并创建有效光斑大小的能力一样,原始激光束也会影响您聚焦能量的能力以及产生的聚焦斑的大小。这是一般规则:原始光束直径越大,所产生的焦腰直径越大,并且焦点从镜头投射的距离就越远。
激光切割
图2对于切割较薄的材料,由于不需要宽通道,因此集中在表面材料上的小斑点就足够了。

有效更改光斑大小的另一种方法是使用有效焦距(EFL)不同的镜头。如图3所示,这不仅会产生不同的光斑大小,而且会产生不同的焦点深度(DOF)。请记住,自由度不仅是光束最小的地方(焦点腰部),还包括最小光斑大小之前和之后的范围。

作为更改光斑大小和自由度的示例,请考虑波长为10,600 nm,原始光束直径为20 mm,M 2为2 的CO 2激光束。如果使该光束通过3.75英寸( 95.25毫米)的镜头,在焦腰的直径约为128微米(0.128毫米)。现在,如果我们用5英寸代替。(127毫米)镜头,使用相同的20毫米原始光束,焦腰的直径将为170微米(0.170毫米)。同时,两个透镜之间的焦深会发生变化。3.75英寸 镜头的自由度约为1.2毫米,而5英寸镜头的自由度为2.16毫米。镜头(请参见图4)。

可以改变光束焦点投影的另一个考虑因素是光束在撞击透镜之前的波前变化。原始光束的波阵面可以描述为会聚,平行或发散。在会聚波前的情况下,光束的传播实际上会变得越来越小。当该会聚波阵面撞击透镜时,由于在透镜顶部的光束直径投影较小,因此所产生的聚焦投影比平行波阵面的聚焦投影短。相反,由于发散在透镜顶面上的光束直径较大,所以聚焦发散的波阵面会比平行波阵面产生更长的焦点投影(请参见图5)。

实际应用

重要的是控制与保持正确的焦点投影有关的每个方面。您必须确保光学谐振器处的原始光束处于良好状态,并且光束已正确传输到镜头。使用合适的焦距镜头可以改变材料的熔化速度和可以加工的厚度。短焦距镜头,例如3.75英寸。EFL最有效,最大厚度为12英寸或0.104英寸(5英寸)。最大厚度为0.250英寸时,镜片最有效。对于较厚的材料,请使用7.5英寸。镜头最大为1.25英寸和10英寸。镜头最大为1.312英寸,以实现最有效的切割。

真正节省时间的做法是使用EFL,该EFL使您无需更换其他镜头即可覆盖大部分日常工作。使用7.5英寸。在大多数情况下,镜头将使您能够实现16 ga以上与保持适当聚焦有关的所有目标。在一天的生产过程中,厚度达到1英寸。

如前所述,选择辅助气体与确定材料中的焦点位置有很大关系。氧气辅助激光切割(放热)将要求焦点位置刚好位于材料表面或表面上方。除非从高压切割更改为低压切割,否则几乎不需要焦距更改,因为焦点始终位于材料表面上或附近,因此不受材料厚度变化的影响。另一方面,氮气焦点的激光切割(吸热)取决于待处理的材料厚度,非常依赖于焦点,因为焦点位于材料底部或底部附近。

在任何一种情况下,都可以通过使用CNC自动对焦设备(例如自适应反射镜)来满足所有基本焦点(请参见图5)。

自适应反射镜通过向反射镜背面施加压力来改变反射镜的表面形状来工作。在正常状态下,没有施加压力,自适应反射镜的表面是凹形的。当向镜子施加压力时,表面从凹形变为平形,然后变为凸形。改变反射镜的形状会改变光束的波阵面,从而改变光束在透镜上的大小以及焦点在材料中的投射位置。

自动聚焦的另一个主要优点是能够在穿孔过程中动态更改焦点位置,从而可以在材料厚度范围内最大程度地输入能量,并减少整个穿孔时间。

迄今为止,激光切割技术的进步一直在提高生产率和生产率。然而,仍然非常关键的是,根据应用,将原始光束传送到透镜并保持适当的焦点位置。

如果在要处理的材料中保持适当的焦点位置和突出形状,则可以将产生一致的高质量切割所需的其余要求减到最少。这样可以节省设置时间,同时保持一致的生产率和吞吐量。
激光切割

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