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          激光切割機原理、分類及特點
          發布時間:2017-12-21 11:02:34     瀏覽:559    0

          激光切割原理、分類及特點

          (1)激光切割的原理

          激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。激光切割的原理見下圖。

          (2)激光切割的分類

          激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

          1)激光汽化切割

          利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時間內達到材料的沸點,材料開始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時,在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大,所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。

          激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

          2)激光熔化切割

          激光熔化切割時,用激光加熱使金屬材料熔化,然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等),依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

          激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

          3)激光氧氣切割

          激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源,用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱,所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。

          激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

          4)激光劃片與控制斷裂

          激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描,使材料受熱蒸發出一條小槽,然后施加一定的壓力,脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。

          控制斷裂是利用激光刻槽時所產生的陡峭的溫度分布,在脆性材料中產生局部熱應力,使材料沿小槽斷開。

          激光切割的特點

          激光切割與其他熱切割方法相比較,總的特點是切割速度快、質量高。具體概括為如下幾個方面。

          ⑴ 切割質量好

          由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能夠獲得較好的切割質量。

          ① 激光切割切口細窄,切縫兩邊平行并且與表面垂直,切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。

          ② 切割表面光潔美觀,表面粗糙度只有幾十微米,甚至激光切割可以作為最后一道工序,無需機械加工,零部件可直接使用。

          ③ 材料經過激光切割后,熱影響區寬度很小,切縫附近材料的性能也幾乎不受影響,并且工件變形小,切割精度高,切縫的幾何形狀好,切縫橫截面形狀呈現較為規則的長方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1,切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。

          ⑵ 切割效率高

          由于激光的傳輸特性,激光切割機上一般配有多臺數控工作臺,整個切割過程可以全部實現數控。操作時,只需改變數控程序,就可適用不同形狀零件的切割,既可進行二維切割,又可實現三維切割。

          ⑶ 切割速度快

          用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板,切割速度可達600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹脂板,切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定,既可節省工裝夾具,又節省了上、下料的輔助時間。

          ⑷ 非接觸式切割

          激光切割時割炬與工件無接觸,不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件,不需要更換“刀具”,只需改變激光器的輸出參數。激光切割過程噪聲低,振動小,無污染。

          ⑸ 切割材料的種類多

          與氧乙炔切割和等離子切割比較,激光切割材料的種類多,包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料,由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同,表現出不同的激光切割適應性。采用CO2激光器,各種材料的激光切割性能見表2。

          ⑹ 缺點

          激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制,激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材,而且隨著工件厚度的增加,切割速度明顯下降。

          激光切割設備費用高,一次性投資大。

          激光切割的應用范圍

          大多數激光切割機都由數控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法,幾乎可以切割所有的材料,包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

          在汽車制造領域,小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域,激光切割技術主要用于特種航空材料的切割,如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

          激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料,如氮化硅、陶瓷、石英等;還能切割加工柔性材料,如布料、紙張、塑料板、橡膠等,如用激光進行服裝剪裁,可節約衣料10%~12%,提高功效3倍以上。

          激光切割技術概要以及激光切割的精度

          激光束聚焦成很小的光點其最小直徑可小于0.1mm,使焦點處達到很高的功率密度可超過106W/cm2。這時光束輸入(由光能轉換)的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散部分,材料很快加熱至汽化濕度,蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動,使孔洞連續形成寬度很窄(如0.1mm左右)的切縫。切邊熱影響很小,基本沒有工件變形。切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體。鋼切割時得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產生放熱化學反應氧化材料,同時幫助吹走割縫內的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣,棉、紙等易燃材料切割使用惰性氣體。進入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡,防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過熱。

          大多數有機與無機都可以用激光切割。在工業制造占有分量很重的金屬加工業,許多金屬材料,不管它具有什么樣的硬度,都可進形無變形切割(目前使用最先進的激光切割系統可切割工業用鋼的厚度已可接近20mm)。當然,對高反射率材料,如金、銀、銅和鋁合金,它們也是好的傳熱導體,因此激光切割很困難,甚至不能切割(某些難切割材料可使用脈沖波激光束進行切割,由于極高的脈沖波峰值功率,會使材料對光束的吸收系數瞬間急劇提高)。

          激光切割無毛刺,皺折、精度高,優于等離子切割。對許多機電制造行業來說,由于微機程序的現代化激光切割系統能方便切割不同形狀與尺寸的工件(工件圖紙也可修改),它往往比沖切、模壓工藝更被優先選用;盡管它加工速度慢于模沖,但它沒有模具消耗,無需修理模具,還節約更換模具時間,從而節省加工費用,降低產品成本,所以從總體上講在經濟上更為合算。

          另一方面,從如何使模具適應工件設計尺寸和形狀變化角度看,激光切割也可發揮其精確、重現性好的優勢。作為層疊模具的優先制造手段,由于不需要高級模具制作工,激光切割運轉費用也并不昂貴,因此還能顯著地降低模具制造費用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會產生一個淺硬化層(熱影響區),提高模具運行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點給圓鋸片切割成形帶來無應力優勢,由此提高了使用壽命。

          常用工程材料的激光切割

          1.金屬材料的激光切割

          雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對紅外波能量有很高的反射率,但發射處于遠紅外波段1.064um光束的燈泵浦ND:YAG激光器及10.6μmCO2激光器還是成功的應用于許多金屬的激光切割實踐

          2.非金屬材料的激光切割10.6μm波長的CO2激光束很容易被非金屬材料吸收,導熱性不好和低的蒸發溫度又使吸收的光束幾乎整個輸入材料內部,并在光斑照射處瞬間汽化,形成起始孔洞,進入切割過程的良性循環。

          激光切割的精度

          激光切割的精度由多方面因素組成:

          1、激光束通過聚焦后的光斑的大小

          激光束聚集后的光斑越小,切割精度越高,特別是切縫較小,最小的光斑可達0.01mm。

          2、工作臺的走位精度決定著切割的重復精度

          工作臺精度越高,切割的精度越高。

          3、工件厚度越大,精度越低,切縫越大。

          由于激光光束為錐形,切縫也是錐形,厚度0.3MM的不銹鋼比2MM的切縫小的多。

          4、工件材質對激光切割精度有一定影響。

          同樣情況下,不銹鋼要比鋁的切割精度高,切面光滑一些。

          激光切割機的切割質量好。切口寬度窄(一般為0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距誤差0.1--0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra為12.5--25μm),切縫一般不需要再加工即可焊接

          激光切割的主要工藝

          本文簡單介紹了激光切割的特性和激光切割的主要工藝,同時還介紹了常用的兩種工程材料的激光切割技術。

          一、激光切割的主要特性

          1. 激光切割的切縫窄,工件變形小

          激光束聚焦成很小的光點,使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分,材料很快加熱至汽化程度,蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動,使孔洞連續形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小,基本沒有工件變形。

          切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產生放熱化學反應氧化材料,同時幫助吹走割縫內的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣,棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡,防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致 鏡片過熱。

          大多數有機與無機材料都可以用激光切割。在工業制造系統占有份量很重的金屬加工業,許多金屬材料,不管它是什么樣的硬度,都可以進行無變形切割。當然,對高反射率材料,如金、銀、銅和鋁合金,它們也是好的傳熱導體,因此激光切割很困難,甚至不能切割。

          激光切割無毛刺、皺折、精度高,優于等離子切割。對許多機電制造行業來說,由于微機程序控制的現代激光切割系統能方便切割不同形狀與尺寸的工件,它往往比沖切、模壓工藝更被優先選用;盡管它加工速度還慢于模沖,但它沒有模具消耗,無須修理模具,還節約更換模具時間,從而節省了加工費用,降低了生產成本,所以從總體上考慮是更合算的。

          2. 激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工

          激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點,把它應用于切割有許多特點。

          首先,激光光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區域內,可提供(1)狹的直邊割縫;(2)最小的鄰近切邊的熱影響區;(3)極小的局部變形。其次,激光束對工件不施加任何力,它是無接觸切割工具,這就意味著(1)工件無機械變形;(2)無刀具磨損,也談不上刀具的轉換問題;(3)切割材料無須考慮它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響,任何硬度的材料都可以切割。 再次,激光束可控性強,并有高的適應性和柔性,因而(1)與自動化設備相結合很方便,容易實現切割過程自動化;(2)由于不存在對切割工件的限制,激光束具有無限的仿形切割能力;(3)與計算機結合,可整張板排料,節省材料。

          3. 激光切割具有廣泛的適應性和靈活性

          與其它常規加工方法相比,激光切割具有更大的適應性。

          首先,與其他熱切割方法相比,同樣作為熱切割過程,別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區域,結果導致切口寬、熱影響區大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬,而其它熱切割方法則不能。

          二、激光切割的主要工藝

          1. 汽化切割

          在高功率密度激光束的加熱下,材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快,足以避免熱傳導造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。

          2. 熔化切割

          當入射的激光束功率密度超過某一值后,光束照射點處材料內部開始蒸發,形成孔洞。一旦這種小孔形成,它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍,然后,與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動,小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。

          激光束繼續沿著這條縫的前沿照射,熔化材料持續或脈動地從縫內被吹走。

          3. 氧化熔化切割

          熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點燃,與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源,稱為氧化熔化切割。

          4. 控制斷裂切割

          對于容易受熱破壞的脆性材料,通過激光束加熱進行高速、可控的切斷,稱為控制斷裂切割。這種切割過程主要內容是:激光束加熱脆性材料小塊區域,引起該區域大的熱梯度和嚴重的機械變形,導致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度,激光束可引導裂縫在任何需要的方向產生。
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